بخشی از مقاله
چکیده
پوشش بازتاب بالا - HR - با لایه نشانی چهار جفت از لایههای Al2O3 و Si، به ترتیب به عنوان لایههای با ضریب شکست پائین و بالا بر روی زیرلایه شیشهای، بوسیله دستگاه لایهنشانی باریکه الکترونی با یون کمکی ایجاد شد. نتایج اسپکتروفوتومتری نشان میدهد که استک چهار جفت لایهای S| - LH - 4|Air دارای باندتوقفِ پهن وتقریباً یکنواختی با بازتاب بیش از %96 در ناحیه 808-994nm است. آنالیز SPM نشاندهنده پستی و بلندی سطحی از مرتبه 16.3nm است. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - یکنواختی ضخامت در دمای 120 oC را آشکار میکند. این پوشش، خواص اپتیکی مناسبی برای آینههای عقب لیزرهای نیمهرسانا دارد.
-1 مقدمه
پوششهای بازتاب بالا یا آینهای براگ صرفاً استکهایی از لایههای نازک با ضریب شکست بالا و پائین با تعداد مناسبی لایه برای رسیدن به بازتاب به اندازه کافی بالا هستند. نسبت ضریب شکست دو ماده انتخابی، تعداد لایههای مورد نیاز را تعیین خواهد کرد. در صورتی که نسبت ضریب شکستها بزرگتر باشد، تعداد لایههای کمتری مورد نیاز خواهد بود، به همین دلیل برای ساخت پوشش بازتاب بالا، انتخاب ترکیبی از Si و Al2O3 برای استکهای آینهای مورد استفاده قرار میگیرد.[1,2] در این تحقیق از اکسید آلومینیوم به عنوان ماده با ضریب شکست پائین - L - و از Si به عنوان ماده با ضریب شکست بالا - H - استفاده شده است. مشکل استفاده از این ترکیب این است که Si در نواحی کمتر از یک میکرون جاذب است و بازتاب را در حدود 95-96% در طولموج 810nm محدود میکند.[3]
اگرچه با استفاده از مواد غیر جذبی مانند TiO2/SiO2 یا TiO2/Al2O3 میتوان به بازتاب بالا در حدود 99% بسته شرایط لایه نشانی دست یافت، اما به تعداد زیادی لایه نیاز است. نسبت ضریب شکست بالاتر Si/Al2O3 نیازمند لایههای کمتر 6 - لایه - و دارای ناحیه بازتاب بالای پهنتری است، در حالی که نسبت ضریب شکست پائینتر TiO2/Al2O3 نیازمند 14 لایه است .[3] لایههای اکسید آلومینیوم به علت چسبندگی قوی به زیرلایه، گاف نواری پهن، مقاومت گرمایی و مکانیکی بالا دارای کاربردهای وسیعی هستند. لایههای اکسید آلومینیوم با روشهای مختلفی از جمله پوششدهی لایهای اتمی - ALD - ، نشست بخار شیمیایی - CVD - ، لایه نشانی باریکه الکترونی و کندوپاش ایجاد میشوند.[3,4,5]
-2 روش ساخت پوشش بازتاب بالا
لایهنشانی را در خلأ و در دمای بوسیله دستگاه لایهنشانی باریکه الکترونی با یون کمکی انجام دادیم. دما در حین لایه نشانی افزایش یافت به طوری که پس هشتمین لایه به 220oC رسید. برای افزایش خواص اپتیکی و ایجاد لایههای با چسبندگی و چگالی بالاتر، یکنواختی سطحی بهتر، پستی و بلندی سطحی کمتر از باریکه یونی کمکی آرگون - IAD - در حین لایه نشانی استفاده شد.
گاز آرگون به علت خنثی بودن، تأثیری در تغییر ترکیب لایهها ندارد. برای افزایش دقت در ضخامت هرکدام از لایهها، همزمان دو روش ضخامت سنجی کریستالی و اپتیکی به کار گرفته شد. نقاط چرخش در ضخامت سنج اپتیکی برای بدست آوردن ضخامت ربع -موج مورد استفاده قرار گرفتند. لایههای نازک Al2O3 و Si با ضخامت ربع-موج در طولموج 0=808nm بترتیب با آهنگ لایهنشانی 10Aœ/s و 2.5-3Aœ/s بر روی زیرلایهای از جنس شیشه با ضریب شکست ns=1.52 ایجاد شدند. سطح زیرلایه قبل از لایه نشانی با روش معمول تمیز شد.
نمونههایی با تعداد یک تا چهار جفت لایه Al2O3/Si - استک پایه - ساخته شدند. طیف عبوری نمونهها با استفاده از آنالیز اسپکتروفوتومتری بررسی گردید. یکنواختی و پستی و بلندی و مورفولوژی سطح با میکروسکوپ پروبی روبشی - SPM - مدلDME DualScope Microscope بررسی شد. برای مشاهده یکنواختی ضخامت فیلتر از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - استفاده شد.
-3 تئوری و بحث
بازتاب بالا از آینههای براگ با تداخل سازنده امواج الکترومغناطیسی بازتاب شده از فصل مشترکهای متوالی از ساختار چند لایه ایجاد میشود. در عمل برای رسیدن به این وضعیت از استک پایه متشکل از دولایه متوالی با ضریب شکستهای متفاوت n1 و n2، با ضخامت اپتیکی ربع -موج در طولموج طراحی 0 استفاده میشود. مشخصات آینههای براگ بوسیله نسبت ضریب شکست دولایه در استک پایه و تعداد استکهای پایه در پوشش چند لایه نهایی N - تعداد جفت لایهها - حاصل می شود. بازتاب R از پوشش N جفت لایهای که هر لایه دارای ضخامت اپتیکی ربع-موج است، بوسیله رابطه - 1 - داده میشود .[6]
چهار نمونه لایهنشانی شده با دستگاه باریکه الکترونی - EBD - به صورت S| - LH - n|Air نماد گذاری می شوند که در آن n=1,2,3,4 است. چهار نمونه به ترتیب شامل زیرلایه با 2، 4، 6 و8 لایهی اول در جدول 1 میشوند. طیف سنجی در بازه طول موجی 400-1200nm که شامل نواحی IR نزدیک و مرئی است، در حالت فرود عمودی - 1=0 - انجام شد.
مطابق انتظار با افزایش تعداد لایهها جذب در آنها افزایش می یابد. در جدول 2 بازتابهای استکهای چهارگانه در بازه طول موج 750-1050nm آورده شده است. از دادههای این جدول مشخص می شود که بعد از سه جفت لایهنشانی - 3LH - در تمام طولموجهای بازه 750-950nm بازتاب بالای 90% رسیده است. ضریب شکست لایههای Si در لایه نشانی استاندارد باریکه الکترونی که در آن لایههای متناوبی از Siو یک اکسید وجود دارد، معمولاً متغیر است. این تغییر از آنجا ناشی میشود که باقی مانده اکسیژن ناشی از پوشش اکسیدی با Si ترکیب شده و لایه نازک Si به صورت جزئی اکسید شده و ضریب شکست پائینتری را ایجاد میکند.
بنابراین استک پوشش داده شده واقعی دارای بازتاب به مقدار جزئی کمتری خواهد بود و کاملاً برای ناحیه بازتاب بالا پهن و گسترده نخواهد بود. این البته مشکل جدی به حساب نمیآید از آنجا که در بدترین حالت، ممکن است یک جفت لایه نشانی اضافی برای افزایش بازتاب مورد نیاز باشد. بنابراین بعد از چهار جفت لایهنشانی - 4LH - بازتاب در بازه 808-994nmتقریباً یکنواخت و بیش از 96% است. بنابراین برای رسیدن به بازتاب در محدوده 96-97% چهار جفت لایه از Al2O3/Si کافی بنظر میرسد. نمودار بازتاب بالا و ناحیه توقف در شکل 2 نشان داده شده است.
