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低辐射玻璃膜层材料光学常数的提取

玻璃工业网 2018/5/7 15:11:55

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中国玻璃网】采用磁控溅射法生产离线低辐射(Low-E)镀膜玻璃,产品质量依赖于膜层结构和工艺参数的调整。单银Low-E膜系结构简单,膜层材料少,工艺人员凭借长期总结的经验,不需要依赖软件模拟就可以调试出光学性能符合要求的产品。随着人们节能意识和节能要求的提升,双银甚至三银Low-E开始逐步取代单银成为新一代中、高档建筑幕墙使用的节能玻璃产品。但双银和三银产品的膜系复杂,并且还伴随有膜层不均匀、大角度色差等问题,调试过程不能单靠经验,需要借助于软件模拟对膜层结构和工艺参数调试提供指导,而软件模拟的前提是建立准确的材料光学常数数据库。随着材料科学和真空溅射等技术的发展,不仅对于双银和三银Low-E产品,更对于其他一些高附加值的特殊光学薄膜而言,准确提取膜层材料的光学常数都将起着关键性的作用。

  提取光学常数的方法原理

  光学常数的测量和提取方法有很多种[1],如光切法、波导法、光谱法、椭圆偏振法等。其中光谱拟合法能同时得出薄膜厚度和光学常数,再加上该方法对膜层的非破坏性,因此成为薄膜光学常数提取的主要方法。本文即是采用这种方法对低辐射玻璃膜层所用介质材料SixNy和ZnAlOx的光学常数进行提取。

  光谱法的理论基础是薄膜干涉。当光束照射到平行平面薄膜上时,在薄膜的上下表面发生多次反射[2],因而产生一组反射光束和一组透射光束,如图1所示。这些光束形成干涉效应,终影响薄膜的反射率和透射率。不同薄膜材料的特性不同,反射率和透射率值的大小不同。通过数学推导并结合麦克斯韦电磁场理论,可得到反射率和透射率与入射角、波长、膜厚、折射率之间的关系式。式1所示即为单层薄膜反射率的函数关系式,其中no、n和ng分别为入射介质、膜层和基片折射率。由该式可看出,在设定波长范围,固定入射角的条件下,反射率和透射率与薄膜的厚度(d)和光学常数(n)有着对应的关系,这就是光谱法提取光学常数的原理,该方法同时也可以得到薄膜的厚度。

  另外,准确计算反射率和透射率,还要考虑色散现象。即材料的折射率随波长的变化关系。这与不同材料的晶体结构、能态结构等相关[3]。光学和材料学领域的学者结合电磁学理论、经典物理学的偶极震荡理论、材料本身的电子跃迁及量子理论,总结并改进得到了许多模型[4-6]来描述不同类型材料的色散现象。例如Lorentz oscillator模型,Interband transitions模型,Drude模型等。

  本文使用code薄膜设计软件进行模拟,根据软件自身所带的材料模型种类以及SixNy和ZnAlOx的光学特性,在380~2500nm范围内,均为其选择Dieletric Background+Kim Oscillator+OJL Interband Transition的模型组合。在完成构建材料模型和膜系结构之后,以实测光谱数据为标准曲线进行光谱拟合,从而提取光学常数和膜厚,通过比较拟合膜厚值与实测膜厚值来验证所提取光学常数的准确性。

  样片制备

  样片制备在沙河某条北玻SE2540磁控溅射镀膜生产线上完成。玻璃基片均采用南玻6mm白玻。使用1000mm×2440mm的半大片镀膜,然后裁去边缘,取中间部分裁成100mm×100mm小样片以便实验室测试。为了使后续的拟合效果更加准确,单层膜的厚度镀制得比较厚,约为200~400nm。为了达到此厚度范围,溅射时设置较低的工艺走速,且多靶同开,往复多次镀膜。

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