بخشی از مقاله
چکیده- در این پژوهش، طراحی و ساخت مجموعهی 13 لایهی نابازتابندهی دوگانه با پوشش محافظ کربن شبه الماسی برای دو بازهی 3-5 و 8؛12 میکرومتر در زاویهی عمود گزارششده است. این مجموعه بر بسترهی ZnSe طراحی و به کمک روشهای پرتوی الکترونی و PECVD با استفاده از ضخامتسنج کریستالی و اپتیکی در محفظههای با خلاء پایهی از مرتبهی 10-6 میلیبار و در دو مرحله لایهنشانی شده است. ویژگی ممتاز این مجموعه، پایداری محیطی و استحکام مکانیکی بالا - به علت پوشش محافظ کربن شبه الماسی - به همراه متوسط بازتاب 2/5 درصد در بازههای 3-5 و 8-12 میکرومتر میباشد. این مجموعه آزمونهای چسبندگی، سایش، رطوبت، مه نمکی و حلالیت را بهخوبی گذرانده است.
-1 مقدمه
جو زمین در دو بازهی طولموجی 3- 5 و 8-12 میکرومتر، دارای بیشترین میزان عبور و کمترین مقدار جذب نسبت به بقیه نواحی مادونقرمز است. بنابراین سامانههای اپتیکی با قابلیت عبوردهی دو طیف، توانایی آشکار سازی و بازده اپتیکی بالاتری را نسبت به سامانههای اپتیکی تک طیفی دارند. قطعات اپتیکی دو طیفی در ساخت سامانههای عکس برداری در دو ناحیهی طیفی، مورد استفاده قرار میگیرند .[1] از جمله موادی که دارای عبوردهی خوبی در ناحیهی 3؛12 میکرومتر میباشند، میتوان به ZnSe، KBr، Ge، GaAs اشاره نمود.
در این میان، بسترهی خام ZnSe به علت عبوردهی % 72 در بازهی 3-12 میکرومتر - بازتاب %17 نور فرودی از یک سطح - و ضریب شکست 2/4 - در 10 میکرومتر - ، به عنوان زیرلایه انتخاب شد .[2] یکی از مشکلات اساسی بسترهی ZnSe، نداشتن استحکام مکانیکی در برابر سایش میباشد. همچنین بازتاب پرتوی نور فرودی از سطح آن، منجر به کاهش بازده قطعه و در نتیجه سامانه اپتیکی میشود .[3] راهکار مناسب، استفاده از مجموعهی لایه نازک است که علاوه بر افزایش استحکام مکانیکی سطح، در دو بازهی طولموجی 3-5 و 8-12 میکرومتر شفاف بوده و یک ساختار نابازتابنده را ایجاد نماید.
استحکام مکانیکی و شفافیت اپتیکی مواد، در ناحیهی مادون قرمز با یکدیگر در تعارض هستند. برای داشتن استحکام مکانیکی، نیاز به اتمهایی با وزن اتمی کم و پیوندهای اتمی و مولکولی قوی وجود دارد در صورتی که برای ایجاد شفافیت اپتیکی در این ناحیه، نیازمند جرم اتمی بسیار کم و پیوندهای اتمی و مولکولی ضعیف هستیم. بنابراین دستیابی به لایهی نوری با استحکام مکانیکی و شفافیت نوری بالا در ناحیهی مادونقرمز، یک چالش فنی محسوب میشود .[4]
لایهی DLC بهعنوان لایهی محافظ برای قطعاتی مورد استفاده قرار میگیرد که در محیطهایی با میزان سایش بالا قرار دارند. DLC با ضریب شکست 1/93 - در طولموج 10 میکرومتر - دارای ویژگیهایی از جمله استحکام مکانیکی و مدول یانگ بالا، ضریب اصطکاک پایین، عبوردهی بالا در ناحیهی مادونقرمز، آبگریزی و مقاومت زیاد در مقابل مواد اسیدی و بازی با غلظت بالا است. با استفاده از این لایه - با توجه به شفافیت نوری در ناحیهی مادونقرمز - به عنوان یکی از لایههای مجموعهی فیلم نازک، میتوان یک ساختار محافظ و ضد بازتاب ایجاد نمود .[6]
-2 طراحی
با طراحی یک مجموعهی چندلایهای از دو ماده با ضریب شکست بالا و پایین که به صورت یک در میان با ضخامت-های متفاوت بر بستره قرار میگیرند میتوان انعکاس کمینه را در دو گسترهی موردنظر فراهم نمود و یک ساختار نابازتابنده ایجاد کرد .[4] تعداد لایههای مجموعهی نابازتابنده، به میزان عبور مورد نظر و اختلاف ضرایب شکست دو ماده بستگی دارد. هر چه اختلاف ضریب شکست دو ماده بیشتر باشد، پهنای ناحیهی ضدبازتاب نیز بیشتر میشود. در صورتی که چینش و ضخامت لایهها مناسب نباشد، نوسانات مضری در طرح ایجاد میشود.
برای جلوگیری از ایجاد تنشهای باقیمانده در لایهها، لازم است که لایهها - به غیر از - DLC، در یک فرآیند بر روی یکدیگر لایهنشانی شوند. ویژگیهای مجموعهی نابازتابنده را میتوان با نرمافزارهای شبیهسازی لایهی نازک بررسی نمود. این نرم-افزارها به روش ماتریسی بنا شدهاند، با استفاده از این نرم-افزارها میتوان ویژگیهای عبور، انعکاس و غیره را از ماتریس حاصل ضرب همهی ماتریسها محاسبه و با تغییر ضخامت هر لایه ویژگی مورد نظر را بهینه نمود.
اولین مرحله در طراحی و ساخت یک مجموعهی نابازتابنده، انتخاب دو ماده با ضرایب شکست بالا و پایین میباشد که باید در دو ناحیهی مورد نظر شفاف بوده و از نظر سطح تنش و ضریب انبساط حرارتی در وضعیت مناسب باشند. از سوی دیگر، مواردی مانند نرخ انباشت، دمای لایه نشانی، فشار اولیهی خلاء، فشار اکسیژن و تمیزکاری بستره، نقش کلیدی در بهبود شرایط لایهنشانی ایفا میکنند.
با توجه به مطالب گفته شده، از دو ماده ژرمانیوم به عنوان مادهی ضریب شکست بالا - 0/ 3؛4/4 در بازه 2-16 میکرون - و ایتریوم باریوم فلوراید با فرمول تجاری IR-F625 بهعنوان مادهی با ضریب شکست پایین 1/4 - در طولموج 10 میکرون - استفاده شد که هر دو دارای پایداری محیطی و مکانیکی خوبی هستند. به کمک نرم افزار طراحی لایههای نازک مکلئود و ابزارهای مختلف آن، طراحی و بهینهسازی لازم انجام شد. این پوشش نابازتابنده به صورت شش لایه از مواد ژرمانیوم و IR-F625 به دست آمد که طرحوارهای از آن در شکل 1 نمایش داده شده است.
به منظور افزایش چسبندگی و کاهش تنش مجموعهی لایه نازک، از لایهی واسط Y2O3 استفاده شده است. این ماده در سطح مقطع میان همهی لایهها - به جز میان لایههای DLC و ژرمانیوم - و نیز لایه و بستره، به میزان پنج نانومتر لایه-نشانی شده است. برای بهبود سختی و پایداری پوشش، لایهی محافظ DLC بر روی ساختار نابازتابنده، طراحی شده است. ضخامت این لایه، به گونهای است که علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، باعث کاهش عبور نشود. برای این منظور، در حین طراحی ضخامت لایهی DLC را در مقدار 70 nm ثابت نگه داشته و ضخامت بقیهی لایهها را بهینه شد.
DLC دارای مشکل چسبندگی کم به اغلب لایهها است .[5] به منظور افزایش چسبندگی به ساختار نابازتابنده، باید از لایهی میانی و چسبنده استفاده نمود. پارامترهای موثر در چسبندگی لایهها شامل ساختار شبکهای، تطابق در ثابت-های شبکه، انرژی آزاد سطح، روش لایهنشانی و غیره می-باشد. همچنین لایه میانی مورد نظر باید در 3-5 و 8-12 میکرومتر شفاف باشد. با توجه به مطالب گفته شده، لایهی واسط ژرمانیوم به ضخامت 25 nm بر روی ساختار نابازتابنده لایه نشانی شده است.
محاسبات نرمافزاری نشان میدهد که با لایهنشانی چنین مجموعهای، طیف بازتابی از بستره ZnSe به صورت شکل 2 خواهد بود. از اطلاعات آورده شده مشخص است که متوسط بازتاب 17 درصدی بسترهی خام ZnSe، پس از طراحی مجموعهی نابازتابنده، به طور متوسط در 3/ 5-5 و 8-12 میکرومتر، به کمتر از 3 درصد کاهش مییابد. شکل .2 طیف عبور و بازتاب ساختار نابازتابنده به همراه پوشش محافظ کربن شبه الماسی بر روی فقط یک وجه از بسترهی ZnSe، حاصل از نرمافزار شبیهسازی فیلم نازک در مقایسه با طیف بازتاب بسترهی خام .ZnSe
-3 فرآیند ساخت
لایهنشانی مجموعه نابازتابنده به روش تبخیر فیزیکی - PVD - و لایه DLC به روش PECVD انجام شده است. لایه نشانی PVD، در محفظهی خلاء توسط تفنگ الکترونی و لایهنشانی Y2O3، در فشار جزئی اکسیژن انجام پذیرفت. قبل از لایهنشانی، بستره با استون و به کمک امواج فراصوت تمیزکاری و بلافاصله قبل از لایهنشانی به منظور حذف کامل آلودگیها، در محفظهی خلاء در معرض تخلیه تابان قرار داده شد.
خلاء پایهی محفظه در حین لایهنشانی 9×10-6 میلیبار در نظر گرفته شده است. ضخامت و نرخ انباشت لایهها توسط کریستال پیزوالکتریک و ضخامتسنج اپتیکی اندازهگیری شدند. لایهنشانی با انجام فرآیندهای تحقیقاتی و محاسبه پارامترهای بهینه لایهنشانی انجام پذیرفت. خلاصه-ای از پارامترهای بهینه، در جدول 1 آورده شده است. لازم به ذکر است که فاکتور تصحیح در پارامترهای ارائه شده در نظر گرفته شدهاست. پس از اتمام فرآیند لایه نشانی ساختار نابازتابنده، لایهی DLC به روش PECVD و با گاز اولیهی متان و پلاسمای آرگون و با پارامترهای موجود در جدول 2 لایه نشانی شد.
