紅外減反涂層，晶體減反膜你了解多少呢

    關鍵詞：紅外減反射涂層、溶膠凝膠法、TeO2基底、高透射率
    摘要：紅外減反射（AR）涂層作為紅外元件的重要組成部分，在紅外系統中發揮著重要作用。在此，通過溶膠-凝膠法在TeO2基底上成功制備了高透射率的紅外增透膜。根據理論計算，設計了優化組成比的SiO2-TiO2-PVA溶膠和SiO2-TiO2-PEG600溶膠兩種溶膠制備增透膜。分別用掃描電子顯微鏡和分光光度計研究了微觀結構和光學性能。在SiO2-TiO2-PVA薄膜涂層樣品中，在1550nm和2008nm處分別實現了約99.8%和99.6%的高透射率。在SiO2-TiO2-PEG600薄膜涂層樣品中，分別在2330nm和2460nm處實現了約100%的透射率。兩種AR薄膜都具有非常低的粗糙度，有利于減少表面散射。結果表明，SiO2-TiO2-PEG600薄膜在退火過程中比SiO2-TiO2-PVA薄膜表現出更高的結構穩定性。系統地研究了薄膜的耐附性、耐水、耐高低溫、耐激光等耐久性。
    介紹
    高折射率襯底材料，如Si、Ge、ZnSe和TeO2等，通常用于紅外區域。這些材料表面紅外輻射的反射損失非常嚴重，因此如果沒有抗反射（AR）涂層，它們就無法廣泛使用。一般紅外增透膜多采用物理方法制備，如熱蒸發、電子束蒸發、磁控濺射等，實現了3.4-4.8μm、3-5μm、8-12μm等多個紅外波段的增透膜。然而，物理方法價格昂貴，更重要的是，薄膜中的應力大，在高能輻照下容易從基板上剝離。因此，探索一種低成本、制備結構穩定的紅外增透膜的方法是一項至關重要的任務。
    溶膠-凝膠法是制備薄膜的常用方法。具有制備工藝簡單，薄膜成分和結構易于調整的優點。重要的是薄膜主要具有多孔結構，有利于在高能輻照下保持結構的穩定性。目前，溶膠-凝膠法已廣泛用于制備光學增透膜，應用于激光系統的光學元件和光伏玻璃。用于大功率激光系統終端光學元件的雙波長或三波長增透膜已被廣泛研究，人們通常關注的增透波長為351nm、527nm、1053nm或532nm，1064nm。用于光伏玻璃的增透膜是另一個研究重點。為太陽能玻璃制備了多種具有自潔功能的增透膜，增透的重點波長為可見光區域。到目前為止，幾乎沒有關于溶膠凝膠法制備紅外波段增透膜的報道。
    TeO2作為一種聲光材料，已廣泛應用于聲光調制器、聲光偏轉器、聲光可調濾光片、聲光偏振棱鏡、光束移位器和光束偏振器。而考慮到未鍍膜材料兩個表面的菲涅耳反射損失，TeO2在近紅外和中紅外的透過率只有70-75%左右，因此在TeO2基材表面鍍紅外增透膜非常重要為其應用。在這項工作中，我們計算了不同折射率和厚度的AR薄膜在TeO2襯底上的透射率，并根據*佳折射率設計了薄膜成分。基于薄膜設計，采用溶膠-凝膠法制備紅外增透膜。設計了兩種添加PVA和PEG600的SiO2-TiO2復合溶膠并包覆在TeO2基底上，分別研究了薄膜結構。通過調整膜厚，透射光譜的峰值波長從1550nm調整到2460nm，*大透射率幾乎達到100%。
    實驗部分
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    溶膠的制備
    圖1給出了溶膠制備的示意圖。
    圖1.溶膠制備示意圖。
    首先，通過水解和聚合反應分別制備SiO2溶膠和TiO2溶膠。然后將TiO2溶膠加入到SiO2溶膠中，通過控制反應時間和添加劑的用量，得到用于涂層的復合溶膠。具體制備過程如下：
    1）SiO2溶膠的制備
    將15mlTEOS和20mlEtOH混合，攪拌30min，記為溶液A；將4.85mlH2O和0.106ml濃HNO3(68wt%)混合，記為溶液B。將溶液B逐滴加入到溶液A中，然后在60℃水浴中攪拌2.5h，得到SiO2溶膠。
    2）TiO2溶膠的制備、
    將2.5mlTBOT、10mlEtOH和2mlHAC混合攪拌30min，記為溶液C；將5mlEtOH、0.5mlH2O和50μLHNO3(68wt%)混合，記為溶液D。將溶液C逐滴加入溶液D中，在60°C水浴中攪拌2h，得到TiO2溶膠。
    3）SiO2-TiO2-PVA溶膠的制備
    將TiO2溶膠滴加到陳化兩天的SiO2溶膠中，60℃水浴攪拌1h，再加入4g甘油，繼續攪拌1h，*后緩慢加入10ml5wt%PVA水溶液，在室溫下繼續攪拌2h，得到*終溶膠。
    4）SiO2-TiO2-PEG600溶膠的制備
    將兩份TiO2溶膠滴加到已經老化兩天的SiO2溶膠中，并在60℃水浴中攪拌1h。*后加入5wt%PEG600，攪拌1h，得到*終的溶膠。
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    基板處理
    將玻璃基板依次在無水乙醇和去離子水中超聲清洗10min，然后在烘箱中干燥備用。拋光的TeO2基板在無水酒精中清洗，然后用去離子水沖洗，*后在烘箱中干燥。
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    薄膜的制備
    采用浸涂法制備薄膜，具體制備工藝如下：
    將清潔后的基材浸入溶膠中60s，然后以1670-3000μm/s的提升速度拉出。在下一次提升之前，將膜在60°C下干燥10分鐘。根據需要的膜厚進行多次提升工藝。涂層完成后，將薄膜在500°C的空氣中退火1小時以獲得*終樣品。
    結果與討論
    根據理論計算，制備了SiO2-TiO2-PVA（Si：Ti=0.9：0.1）和SiO2-TiO2-PEG600（Si：Ti=0.82：0.18）兩種溶膠。用SEM對這兩種溶膠涂布在玻璃基板上得到的薄膜進行表征，如圖3所示。圖3a和3b是用SiO2-TiO2-PVA溶膠得到的薄膜的正視圖和截面圖，而圖3c和3d對應于用SiO2-TiO2-PEG600溶膠獲得的薄膜。為了容易區分薄膜和襯底，在薄膜和襯底之間添加了由堿性SiO2溶膠制備的SiO2顆粒組成的隔離層，如圖3b所示?？梢钥闯?，兩種薄膜均表現出平坦的表面和均勻的多孔結構。PVA和PEG600作為成孔劑會在退火過程中蒸發，從而形成孔結構。另外，通過SiO2-TiO2-PEG600溶膠得到的薄膜比通過SiO2-TiO2-PVA得到的薄膜具有更明顯的孔結構和更高的孔隙率，這可能是由于溶膠中PEG600的比例更高。

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