بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، طراحی و ساخت مجموعهی لایه نازک نابازتابندهی دوگانه برای دو بازهی طول موجی 3-5 و8-12 میکرومتر، گزارش شده است. این مجموعهی 6 لایه ای، روی بستره ی ZnSe طراحی و به کمک تفنگ الکترونی ساخته و با بهره گیری از ضخامت سنج کریستالی در محفظه ای با خلأ پایهی9×10 -6 میلی بار لایهنشانی شده است. ویژگیهای ممتاز این مجموعهی چندلایهای، پایداری محیطی، استحکام مکانیکی و قابلیت تمیزکاری آن است. نتایج حاصل از طیف سنجی نشان میدهد که عبور متوسط این پوشش چند لایهای در بازههای 3-5 و8-12 میکرومتر، 97/5 درصد است و آزمون های چسبندگی و محیطی را به خوبی گذرانده است.
مقدمه
طراحی با طراحی یک مجموعهی چندلایهای از دو ماده با ضریب شکست بالا و پایین که به صورت یک در میان با ضخامتهای متفاوت بر بستره قرار میگیرند میتوان انعکاس کمینه و عبور بیشینه را در دو گسترهی مورد نظر فراهم آورد .[3] مبانی مربوط به طراحی چنین مجموعههایی در کتابهای اپتیک لایههای نازک موجود است .[4] اولین مرحله در طراحی و ساخت چنین مجموعهای، انتخاب دو مادهی لایهنشانی است که در دو ناحیهی مورد نظر، شفاف بوده و از نظر ویژگیهای پایداری محیطی و سطح تنش در وضعیت مناسب باشند.
از سوی دیگر، مواردی مانند نرخ انباشت، دمای لایهنشانی، فشار اولیهی خلأ، فشار اکسیژن و به ویژه تمیزکاری بستره، نقش بسیار کلیدی در بهبود شرایط مورد نظر ایفا میکند. با توجه به مطالب گفته شده، از دو ماده ژرمانیوم - به عنوان مادهی ضریب شکست بالا 4/0-4/3 - در بازه 2-16 میکرون - و بازهی شفافیت 1/7-23 میکرون - و ایتریوم باریوم فلوراید با فرمول تجاری IR-F625 به عنوان مادهی با ضریب شکست پایین 1/4 - در طول موج 10 میکرون - و بازهی شفافیت 0/19-12 میکرون - استفاده شد که هر دو دارای پایداری محیطی و مکانیکی خوبی هستند.
به کمک نرم افزار طراحی لایههای نازک مکلئود وابزارهای مختلف آن، طراحی و بهینه سازیهای لازم انجام شد. این پوشش نابازتابنده به صورت 13 لایه از مواد ژرمانیوم و IR-F625 و Y2O3 بهدست آمد که طرح آن در جدول 1 آمده است. همهی طراحیها در طول موج مرکزی 10 میکرون و برای زاویهی فرودی صفر انجام شده است. بهمنظور افزایش چسبندگی و کاهش تنش مجموعهی لایه نازک، از لایه واسط Y2O3 استفاده شده است.
این ماده در سطح مقطع میان همهی لایهها و نیز لایه و بستره، به میزان 3 نانومتر لایهنشانی میشود و به منظور افزایش استحکام و پایداری محیطی پوشش، مقدار 10 نانومتر از آن، بر لایهی آخر و مجاور هوا انباشت میگردد. Y2O3 در حین انباشت بخشی از اکسیژن خود را از دست میدهد [5] که به منظور جبران اکسیژن از دست رفته، در حضور فشار جزیی اکسیژن تبخیر میشود.
محاسبات نرمافزاری نشان میدهد که با لایهنشانی چنین مجموعهای، عبور از بستره ZnSe به صورت شکل 1 خواهد بود. از اطلاعات آورده شده مشخص است که بسترهی خام ZnSe، دارای عبور 70/4 درصد است در حالی که متوسط عبور آن در دو بازهی 3-5 و8-12 میکرون هنگامی که فقط بر یک وجه آن لایهنشانی شده باشد تا 86 درصد افزایش یافته و با لایهنشانی وجه دوم، بیشینهی عبور به نزدیک 100 درصد نیز میرسد.
فرآیند ساخت
لایهنشانی به روش تبخیر فیزیکی، در محفظهی خلأ، توسط تفنگ الکترونی و لایهنشانی Y2O3، در حضور فشار جزئی اکسیژن انجام پذیرفت. قبل از لایهنشانی، بستره با استون تمیزکاری و سپس به مدت 5 دقیقه به کمک امواج فراصوت شستشو داده شد و بلافاصله قبل از لایهنشانی به منظور حذف کامل آلودگیها، در محفظهی خلأ به مدت 8 دقیقه در معرض بمباران یونی قرار گرفت. خلأ پایهی محفظه در حین لایهنشانی، 9×10-6 میلیبار در نظر گرفته شد. ضخامت و نرخ انباشت لایهها توسط کریستال پیزوالکتریک اندازهگیری شدند.
برای بهدست آوردن شرایط بهینه و نیز محاسبهی فاکتور تصحیح، گام اول در ساخت یک مجموعهی چند لایهی اپتیکی، انباشت تکلایهها میباشد. به این منظور، هر یک از دو مادهی انتخاب شده باید بر روی بسترهای که دارای اختلاف ضریب شکست زیادی با آن باشد، لایهنشانی شود. از مقایسهی طیف طراحی و طیف تجربی قطعه که با دستگاه FTIR اندازهگیری شده است، نتیجهای که در شکلهای 2 و3 مشاهده میشود به دست میآید. بهمنظور مطابقت این دو طیف بر یکدیگر، نیازمند یک عامل تصحیح هستیم که برای دو ماده در جداول 2 و 3 آمده است.
