Các loại màng Các loại màng quang học quang học
Bộ môn: Quang học ứng dụng Bộ môn: Quang học ứng dụng GV Hướng dẫn: TS Lê Vũ Tuấn hùng GV Hướng dẫn: TS Lê Vũ Tuấn hùng HV thực hiện: HV thực hiện: Lê Thị Lụa Lê Thị Lụa Tô Lâm Viễn Khoa Tô Lâm Viễn Khoa
Dàn ý
• Phân loại các loại màng quang học
• Các phương pháp tạo màng quang
học
• Màng chống phản xạ
• Màng phản xạ cao
• Màng ITO
• Màng lọc giao thao
I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu
• Màng quang học là:
• một hay nhiều lớp vật liệu
mỏng
• phủ trên một
thiết bị quang học như thấu kính hay gương (những thiết bị cho phép biến đổi đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua)
I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu
Hiệu quang lộ:
Độ phản xạ đế:
I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu
Ma trận truyền qua:
Đối với 1 lớp màng
Sử dụng nhiều ma trận Mi liên tiếp nhau
Đối với màng đa lớp
I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Phân loại
Màng chống phản xạ
Màng phản xạ cao
Màng dẫn điện trong suốt
Màng lọc giao thoa
II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG
Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD)
Phương pháp ngưng tụ hóa học (CVD)
Physical Vapor Deposition
Chemical Vapor Deposition
Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế → Màng
Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế, phản ứng với chất khí → Hợp chất → Màng
Tđế < 5000C
Tđế ≈ 900 – 12000C
Một chất khí được đưa vào (precursor)
Các hạt vật liệu di chuyển
Các hạt vật liệu di chuyển
Các phản ứng hình thành hợp chất (nếu có), xảy ra trên đường đi
Các phương pháp PVD phổ biến
Bốc bay
Nhiệt bốc bay
Bốc bay chùm điện tử
Bốc bay bằng xung laser (PLD)
Phún xạ
Phún xạ DC
Phún xạ RF
Phún xạ phản ứng
Phún xạ magnetron
Bốc bay nhiệt điện trở
Quá trình lắng đọng màng
1. Sự chuyển vật liệu
bốc bay từ pha rắn sang lỏng rồi thành hơi do nhiệt điện trở
2. Sự di chuyển của
nguyên tử từ nguồn đến đế 3. Nguyên tử hấp thụ
trên đế kết tụ.
4. Tinh thể hóa màng
bằng các thông số quá trình.
5. Phát triển thành
màng liên tục
Ưu điểm
Có thể lắng đọ ở tốc độ cao 0.1 2 nm/s
Nguyên tử bay bởi năng lượng thấp (0.1 eV)
Tạp bẩn và khí dơ thấp
Không gây nhiệt cho đế
Đơn giản, không đắt
Nhiều vật liệu khác nhau (Au, Ag, Al, Sn, Cr, Ti, Cu…)
Có thể đạt nhiệt độ 1800oC
Dòng điện 200 300 A
Giới hạn
Khó kiểm soát hợp chất
Bề dày không đều
Khó lắng đọng ở những hốc sâu
Sự hình thành hợp kim với nguồn vật liệu
Tạp do khí ở dây nhiệt điện trở
Không thích hợp cho bốc bay phản ứng
Bốc bay chùm điện tử
Substrate
• Súng điện tử sinh ra chùm điện 15 keV, động năng ở dòng cỡ 100 mA.
• Chùm điện tử bị lệch đi 270
beam từ trường, B. Flux
Evaporant
B
Crucible
• Nguồn nhiệt nhận được có nhỏ (~5mm) trong vật liệu bay có công suất là 15 kV x mA = 1.5 kW.
• Năng lượng này đủ làm nóng hết các vật liệu trên 1000o C
e-gun
• Năng lượng nhiệt được khiển bởi dòng điện tử.
Phức tạp hơn bốc bay nhiệt nhưng đa năng
Có thể đạt nhiệt độ trên 3000oC
Sử dụng nồi bốc bay với đáy bằng Cu
ộ lắng động 1 10 nm/s
Vật liệu bốc bay
Mọi thứ mà nhiệt điện trở sử dụng
Cộng với các kim loại sau:
Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo
O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2
Ưu điểm của bốc bay chùm điện tử
Có thể làm nóng chảy vật liệu mà không gây tạp bẩn
Hợp kim có thể lắng đọng mà không gây phân ly
Thích hợp cho bốc bay phản ứng
(PLD – Pulse Laser Deposition)
Electron
Chùm laser xung công suất lớn được chiếu vào bia.
Nguyên tử trung hòa
+ Ion +
Bia hấp thu năng lượng laser, nóng lên và bay hơi
+
Laser
+
+
Phía trên bia hình thành một vùng không gian chứa plasma phát sáng
+
+
+
Các hạt vật liệu bia ngưng tụ màng trên đế
Các loại phương pháp phún xạ
Phún xạ DC
Phún xạ RF
Phún xạ phản ứng
Phún xạ magnetron
+
+
+
+
+
Hạt vật liệu ngưng tụ trên đế, lớp màng.
+
+
+
+
Trong vùng không gian
Ion + “đánh bật”
Áp một điện thế lên bia-đế, ion + “tiến” về bia, e- “tiến” về đế
bên trong buồng chân không, có sẵn một số ion dương
Bộ trở kháng và hệ tụ điện
Tăng công suất phóng điện
Vanode-cathode xoay chiều
Bia sử dụng Có thể cách điện
duy trì
cathode là
Bia sử dụng phải dẫn điện
một chiều
phóng
Hệ phún xạ một chiều (DC – Direct Current) Hệ phún xạ xoay chiều (RF – Radio Frequency)
Phún xạ magnetron
Từ mô hình phún xạ có thêm hệ magnetron,
hệ các nam châm định hướng N-S nhất định ghép với nhau
Hệ magnetron được gắn bên dưới bia, dưới cùng
là tấm sắt nối từ.
e thứ cấp sinh ra từ va chạm giữa ion + và bia,
chuyển động đặc biệt trong điện từ trường.
Hệ magnetron cân bằng
Hệ magnetron không cân bằng
Các đường
Hệ magnetron cân bằng và không cân bằng
Hệ mag netron không cân bằng, nam châm ở giữa có cường độ yếu hơn Các đường sức trường
(hướng vô)
Điện trường
Từ trường khép kín
Các e chịu tác dụng của từ trường ngang
Từ trường không khép kín
Các e ít chịu tác dụng của từ trường ngang
Đế ít bị e va đập
e chủ yếu chuyển động gần bia
Đế bị nhiều e va đập mạnh
e theo điện trường đến đế với v lớn
Thích hợp tạo các màng yêu cầu T
Thích hợp tạo màng cho các loại đế không chịu
Đế ít bị đốt nóng
Đế bị đốt nóng
ộ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng 100 lần so với phún
phẳng
suất phóng điện có thể giảm 100 lần
ộ lắng đọng tăng 100 lần
Trong những năm trước đây màng mỏng kim loại đư
bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng
Phún xạ có thể được sử dụng để lắng đọng tất cả các
loại chất dẫn điện
Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi
ương pháp bốc bay do nhiệt độ nóng chảy của các
kim loại khác nhau
Phún xạ không làm thay đổi hợp thức
Tạp chất trong màng phún xạ thấp
Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa
Sự bao phủ bậc thang tốt hơn
Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của target bóng
là thấp nhất
Đồ đồng đều tương đối cao
Hệ các hạt phân tán, kích thước: 0,1 → 1μm
Lực tương tác giữa các hạt: Van der Waals
Hạt sol
Các hạt chuyển động Brown, va chạm nhau
HỆ SOL
HỆ GEL
Dung dịch đông tụ lại thành keo
Sau một thời gian, các hạt sol hút nhau
Chất ban đầu tạo nên HỆ SOL PRECURSOR
Công thức chung: M(OR)x M: nguyên tố kim loại
Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ các phân tử precursor phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ Sol.
Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch Sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay.
Bước 3: Các hạt trong hệ Sol được polymer hoá thông qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tạo ra hệ gel ở trạng thaí là một mạng lưới liên tục.
Bước 4: Cuối cùng là quá trình xử lí nhiệt nhiệt phân các thành phần hửu cơ, vô cơ còn lại và tạo nên một màng tinh thể hay vô định hình.
Phủ nhúng (Dip Coating)
Phủ quay (Spin Coating)
Dung dịch được
Đế được nhúng vào dung dịch sol, sau đó được kéo ra từ từ → màng/đế
lên đế và cho đế quay Lực ly tâm → mẫu giọt lan tỏa đều trên đế → màng/đế
dmàng phụ thuộc: độ nhớt, vbay hơi, v
→ Đồng đều
dmàng phụ thuộc: vkéo, góc kéo, độ nhớt, nồng độ dd,... → Không đều
Nhược điểm
Ưu điểm
thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa vật kim
và màng. thể tạo màng dày cung cấp cho quá trình
chống sự ăn mòn.
thể phun phủ lên các hình dạng phức
- Sự liên kết trong màng yếu. - Độ chống mài mòn yếu. - Rất khó để điều khiển độ xốp - Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt cao. - Chi phí cao đối với những vật thô. - Hao hụt nhiều trong quá trình màng.
thể sản xuất được những sản phảm có độ khiết cao. phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản
sản xuất màng có chất lượng cao.
thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường.
và nhược điểm phương pháp Sol – gel:
III. MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ:
Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ
Giảm sự phản xạ trên bề mặt của hệ quang học là cần thiết nguyên nhân chính sau:
truyền qua một thành phần quang học chưa được xử hơn 100% vì bị mất mát do phản xạ. Hầu hết các thiết nhiều thành phần quang học này (chưa được phủ
chống phản xạ) sẽ có sự truyền qua là rất thấp
phần ánh sáng phản xạ tại các bề mặt khác nhau có
được mặt phẳng tiêu của thiết bị có thể làm xuất hiện ảnh hoặc các vết nhòe, vì vậy mà hình ảnh của nó không sắc nét
đặc biệt đúng trong tivi của rạp chiếu phim nơi mà có khoảng
Sự truyền qua của ánh sáng
Hệ số phản xạ
Hệ số truyền qua :
T = 1 - R
( bỏ qua sự hấp thụ và tán xạ )
: Với thủy tinh thông thường ( ns = 1.5 )
Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí
( no = 1 )
R = 0.04 ánh sáng truyền qua 96 %
Hệ số phản xạ:
Vd: Với thủy tinh thông thường: ns=1,52
Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí : n0 = 1 Chiết suất lớp phủ: n1=1,38
R = 0,013 ánh sáng truyền qua 98,7 %
Phủ 1 lớp vật liệu trên bề mặt thủy tinh sẽ làm giảm hệ số phản xạ.
Chiết suất tốt nhất cho lớp phủ :
VD : lớp phủ lên bề mặt thủy tinh cần có chiết suất n1 = ( 1.5 )1/2 = 1.225
- Không có vật liệu có chiết suất phù hợp
chính xác.
Thông thường chọn MgF2 ( n1 = 1.38 )
với n1: chiết suất của lớp màng n0 và nS là chiết suất của hai môi trường
Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ ( λ/4 ) gọi là lớp phủ ¼
( quarter-wave coating )
Khi đó tia tới sau khi phản xạ ở 2 mặt phân cách sẽ giao thoa triệt tiêu với nhau do ngược pha nhau.
Tất cả ánh sáng sẽ được truyền qua . ( trường hợp lý tưởng )
Thực tế, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi khi qua lớp phủ.
Độ dày lớp phủ : λo/4n
Với λo : bước sóng ás trong chân không
Màng chống phản xạ đơn lớp
chống phản xạ ở bước sóng giữa vùng khả kiến
Vật liệu màng là các chất điện môi chiết suất thấp : MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2…
Ưu điểm :
- Dễ chế tạo
-Dễ kiểm soát bề dày - giá thành thấp, tính lặp lại cao, dễ thực hiện. Hạn chế: vùng hoạt động hẹp, khó tìm thấy vật liệu chiết suất thấp bền.
Màng chống phản xạ hai lớp
chống phản xạ với toàn vùng phổ khả kiến.
Lớp ngoài : chất điện môi chiết suất thấp, bền với môi trường ( MgF2, Na3AlF6 , CaF2…) : n1
Lớp thứ hai : chất điện môi chiết suất cao, có độ bám tốt với đế thủy tinh
( ZnO, TiO2, CeF3, ThO2…) : n2 > n3
Ưu điểm :
- Cho hệ số phản xạ thấp hơn so với màng đơn lớp
-có nhiều sự lựa chọn vật liệu hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.
Màng chống phản xạ ba lớp
Hệ số phản xạ R rất nhỏ : < 0.1% - 0.01% trong suốt dãy rộng bước sóng ánh sáng.
- Màng chống phản xạ hai lớp chỉ cho hệ số phản xạ bằng 0 tại một bước sóng và dãi bước sóng có hệ số phản xạ thấp còn giớ hạn - Màng chống phản xạ 3 lớp cho hệ số phản xạ bằng 0 tại 2 bước sóng và dãi bước sóng có hệ số phản xạ thấp rộng hơn
ứng dụng :
Trong kính đeo mắt người ta phủ nhiều lớp chống phản xạ để giảm ánh sáng rơi trên bề mặt của kính.
như điện thoại di động, màn hình máy tính LCD,… màn hình của những thiết bị này được phủ màng chống phản xạ để dễ nhìn phần hiển thị trên màn hình
Màng phủ chống phản xạ cũng được sử dụng trong các bảng điện của thiết bị máy bay giúp cho phi công dễ dàng đọc các thông tin trên bảng điện dưới ánh sáng ban ngày mà không bị nhòe. Màng chống phản xạ cũng được sử dụng trong công nghiệp ô tô để làm các bảng điện trong xe hơi cao cấp
- Thấu kính trong máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng, ống nhòm, đầu đọc DVD, và một số lăng kính trong các thiết bị này…
- Pin mặt trời : phủ lớp chống phản xạ cho phép giữ lại ánh sáng chiếu tới ở mọi góc độ.
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR)
Au, Al, Ag...
Màng Kim loại
TiO2, SnO2, MgF2
Màng Điện môi
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại
Nguyên tắc:
Một số kim loại có độ phản xạ cao đối với một vùng bước sóng.
KIM LOẠI
ĐỘ PHẢN XẠ
VÙNG PHẢN XẠ
Al
88 - 92 %
ánh sáng khả kiến
95 - 98 %
hồng ngoại
Ag
< 90 %
tử ngoại
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại
Phương pháp tạo màng:
(tráng gương)
Sử dụng các PƯHH
Phương pháp bốc bay
Đế thủy tinh (gương)
C6H12O6 (dd) + Ag2O (dd) --- (NH3 C6H12O7 (dd) + 2Ag (r)
Miếng nhôm bị đốt nóng do
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại
Ưu điểm:
Đơn giản, dễ chế tạo. Rẻ tiền.
Hạn chế
Không bền, dễ hư hỏng. Độ phản xạ ở các vùng tử ngoại không cao.
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại
Ứng dụng:
Gương
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi
Nguyên tắc:
Gồm hai lớp màng chiết suất khác nhau được đặt xen kẽ với nhau.
Lớp chiết suất cao thường là:
ZnS (n = 2,32), TiO2 (n = 2,4)
Lớp chiết suất thấp thường MgF2 (n = 1,38), SiO2 (n =
49) Chiết suất đế thủy tinh là 1,5
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi
Nguyên tắc:
lớp HL, hiệu quang
lớp - Bề dày của mỗi thường là 1/4 bước sóng tới (λ/4). - Phản xạ tại mỗi mặt tiếp giữa hai tăng thêm 1/2 bước sóng triệt tiêu như trường hợp AR - Do sự phản xạ tại lớp H- ra độ lệch pha sai khác 180 lớp L-H --> sóng giao với không bị triệt tiêu mà còn tăng cường.
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi
Ưu điểm:
Cho độ phản xạ cao, có thể lên đến 99,99%Việc chế tạo đơn giản, giá thành không quá đắt.
Hạn chế:
Chỉ cho độ phản xạ rất cao đối với một dải
bước sóng hẹp nào đó. Ngoài khoảng này thì độ phản xạ không quá cao.
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi
Ứng dụng:
Định hướng laser Kính viễn vọng Đĩa CD Màn hình gương
IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi
Ứng dụng:
Màn hình gương
Thường được sử dụng trên các
hình LCD thế hệ mới. điểm: độ tương phản cao, rõ, màu sắc rực rỡ, góc
rộng
Hạn chế: dễ bị chói, bị ảnh ma sử dụng ở vùng quá sáng
ánh sáng rối.
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng TCO
• Màng dẫn điện trong suốt được sử dụng làm lớp phủ dẫn điện hoặc giải phóng các điện tích được tích tụ.
• Đặc điểm:
• Độ truyền qua cao
• Phản xạ hồng ngoại cao
• Độ dẫn điện cao
• Vật
liệu được dùng thường là: SnO2
ZnO...
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Sự dẫn điện:
- Sn pha tạp vào sẽ thay thế In3+ tại b và d. - Sự thiếu Oxi trong cấu trúc màng ---> mật độ điện tử tự do tăng cao
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Phương pháp: Phún xạ magnetron bằng dòng 1 chiều
Bia gốm ITO với thành phần In2O3 + 10 % SnO2Khoảng cách bia-đế: 5 cm
Khí làm việc chính là Ar (độ tinh khiết 99.999 % )Áp suất nền trước khi tạo màng 4x10-6 torr Áp suất khí làm việc điển hình khoảng 3 x 10 torr.Công suất 50 WĐộ dày trên 300 nm đến 600nmNhiệt độ tinh thể hóa của màng ITO trên 1500c
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Phương pháp: Phún xạ magnetron bằng dòng 1 chiều
Độ truyền phụ thuộc vào cấu trúc cũng như hình thái mặt màng ( độ truyền qua giảm khi độ dày màng tăng )
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Ưu điểm:
- Độ dẫn điện cao. - Độ truyền qua cao. - Độ bám đế tốt, độ rắn cao - bề mặt gồ ghề - có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp
Hạn chế:
- công thoát của ITO chỉ khoảng 4,5-4,8 eV
- sau khi được chế tạo, màng ITO đòi hỏi phải được xử lý nhiệt để nâng
chất lượng. Tuy nhiên , không phải đế nào cũng chịu được nhiệt độ cao
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Ứng dụng:
Hình
Điện cực trong suốt trong các
màn hình mặt trời màng mỏng
công nghệ màn hình phẳng
Hình
(FPD)
-ốt phát quang hữu cơ
(OLED)
IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO
Ứng dụng: OLED
_
Chân không
EA
Cathode
WF(anốt)
IP
ETL/EIL
WF(ca)
EML
LUMO
+
HIL/HTL
cathode
Anốt
Đế thủy tinh
HOMO
Anốt
HIL/HTL
ETL/EIL
EML
OLED đa lớp
V. MÀNG LỌC GIAO THOA
Nguyên tắc:
Dựa trên nguyên tắc tương như AR và HR Phủ một hoặc nhiều lớp màng mỏng lên bề mặt thủy --> tăng cường hoặc làm tiêu một số bước sóng --> màu
V. MÀNG LỌC GIAO THOA
Ưu điểm:
Lọc màu sắc tốt hơn, có thể lọc được các ánh ngoài vùng khả kiến. Giữ được cường độ sáng cao, ít hao phí do nhiệt
Hạn chế:
Giá thành cao Làm bằng thủy tinh nên dễ vỡ
V. MÀNG LỌC GIAO THOA
Ứng dụng:
Kính lọc dùng trong máy ảnh, màn hình ti vi: loại bỏ những sáng tử ngoại, hồng ngoại
không cần thiết, gây hại.
Sử dụng trong công nghệ cáp lọc lựa những bước quang: sóng cần thiết để truyền đi hay tách thành các sóng cần thiết
