1、第 52 卷 第 8 期2023 年 8 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.8August,2023As40Se60硫系玻璃基底薄膜制备与应力分析周慎敏,张 宇(昆明理工大学机电工程学院,昆明 650500)摘要:硫系玻璃是一类优秀的红外光学镜片材料,但其热膨胀系数较大,与 Si、Ge 等红外光学材料相比,硫系玻璃镜片在镀膜过程中产生的残余应力较大,镀膜后面形变化较大。研究膜层中应力并优化应力的控制方法,可以提高薄膜的力学性能。本文通过测量在 As40Se60硫系玻璃上镀膜前后基底的变化量来研究基底上不同材料膜层的残余应力情况,同时使用 AN
2、SYS 软件对 As40Se60/ZnS/Ge/ZnS/Ge/ZnS/YbF3/ZnS 红外光学镜片膜系结构的热应力进行理论计算与仿真,验证了模型的合理性。分析了膜系结构中热应力在轴向与径向分布情况,结果显示:轴向热应力主要集中在膜层部分,表面膜层的热应力最大;径向热应力呈均匀分布,在边缘发生突降。分析了最外层保护膜的热应力与沉积温度、相邻膜层、不相邻膜层和基底的关系,结果表明:沉积温度在 110 到 200 的范围内,保护膜的热应力与沉积温度成正比;相邻膜层和不相邻膜层的厚度和材料均不影响保护膜的热应力;基底的厚度会对保护膜的热应力产生影响。关键词:硫系玻璃基底;As40Se60;膜层制备;
3、残余应力;热应力;有限元分析中图分类号:TB43文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)08-1540-08Preparation and Stress Analysis of As40Se60ChalcogenideGlass Substrate FilmsZHOU Shenmin,ZHANG Yu(College of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)Abstract:Chalcogenide glas
4、s is an excellent infrared optical lens material,but its thermal expansion coefficient is large.Compared with Si,Ge and other infrared optical materials,the chalcogenide glass lens produces larger residual stress in thecoating process,and the shape changes after coating is large.The mechanical prope
5、rties of the film can be improved bystudying the stress in the film and optimizing the stress control method.In this paper,the residual stresses of different materialcoatings on the substrate were studied by measuring the variation of the substrate before and after coating on As40Se60chalcogenide gl
6、ass.At the same time,the thermal stress of As40Se60/ZnS/Ge/ZnS/Ge/ZnS/YbF3/ZnS infrared optical lensfilm chalcogenide was calculated and simulated by ANSYS software,which verified the rationality of the model.The axial andradial distributions of thermal stress in the film structure were analyzed.The
7、 results show that the thermal stress of the filmstructure is mainly concentrated in the film in the axial direction,and the thermal stress of the surface film is the largest.Inthe radial direction,the thermal stress is evenly distributed and suddenly drops at the edge.The relationships between ther
8、malstress of the outermost protective film and deposition temperature,adjacent film layer,non-adjacent film layer and substratewere analyzed.The results show that the thermal stress of the protective film is proportional to the deposition temperature in therange of 110 to 200.The thickness and mater
9、ial of adjacent and non-adjacent films do not affect the thermal stress of theprotective film.The thickness of the base will affect the thermal stress of the protective film.Key words:chalcogenide glass substrate;As40Se60;film preparation;residual stress;thermal stress;finite element analysis 收稿日期:2
10、023-02-23 作者简介:周慎敏(1994),男,湖北省人,硕士研究生。E-mail:stark_ 通信作者:张 宇,教授。E-mail:498380267 0 引 言硫系玻璃一般指的是以族元素 S、Se、Te 等为主,与 As、Ge、Sb、Ga 等元素形成的化合物玻璃1。其优 第 8 期周慎敏等:As40Se60硫系玻璃基底薄膜制备与应力分析1541点有折射率温度系数低、通过的波段宽,以及消色差、消热差性能好等,是一类优异的红外光学材料,在红外光学方面应用广泛2。且相对于 Ge 等红外光学材料而言,其制备成本更低,不论是在红外光学的研发方面还是产品制造方面都有着不错的替代潜力3。镀膜是红
11、外光学镜片制备中的关键步骤,对提升镜片的光学性能、改善机械性能和提高环境适应性有着不可或缺的作用4,在硫系玻璃光学镜片上镀制薄膜一般使用的是物理气相沉积技术5。但由于硫系玻璃的热膨胀系数较大,在镀膜完成后的退火过程中,硫系玻璃基底与光学薄膜之间会产生较大的热应力,易导致膜层脱落和基底变形问题6。为了减小膜层的应力,可以适当调节膜层的厚度,或者在基底上先镀制一层更薄的膜作为过渡层。一般来说,在膜系结构中,基底上的第一层膜是过渡层,过渡层之后的若干层薄膜为等效层,等效层的作用是提高工作波段红外光的透过率,扩大透过波段的宽度,最外层薄膜为保护层,作用是减少外界环境对保护膜内部膜层的影响。研究光学薄膜
12、的应力是十分有意义的,通过研究膜层中应力的分布和变形量,探索应力的控制方法,可以提高薄膜的力学性能,提高光学元件的使用寿命,提高光学系统的稳定性7。前人关于硫系玻璃镀膜的研究一般从考虑其膜基结合性能和光学性能的角度出发,以膜层结构设计和实验为主,从热应力的角度对硫系玻璃膜层进行有限元分析的相关文献较少。美国 Amorphous Materials 公司研究人员认为薄膜和基底间结合性能差、耐摩擦性能差等缺陷主要是受到了材料自身软化温度低,热膨胀系数大等物理特性的影响8,研究人员在基底表面和膜层之间引入了连接层来解决这一问题,提高了整个膜系与基底之间的结合性能。付秀华等9在 IG5 硫系玻璃基底上
13、开发了一种短中波红外增透膜,为解决热膨胀系数偏大所产生的膜层稳定性问题,研制了一种由 MgO 与 Al2O3组成的混合材料 M-11 作为基底与外层膜系之间的连接层,解决了所研制薄膜的脱膜问题。付秀华等10还以镀膜温度作为影响因素进行膜层牢固性研究,通过对镀膜产生的热应力进行分析后选择镀膜温度为对象进行研究,多次实验后确定以 80 作为实际镀膜温度,在该温度下镀制的薄膜具有较好的膜基结合性。硫系玻璃可以透过 1 16 m 波段的红外光,这满足大部分红外光学系统的使用需求,是制造红外光学镜片的常用材料。ZnS、ZnSe、Ge 和 YbF3均为性能优异的常用红外光学薄膜材料,一般在多膜层结构的镀制
14、中根据折射率进行搭配使用。本文通过在 As40Se60硫系玻璃上镀制 ZnS、ZnSe、Ge 和 YbF3四种材料的薄膜,利用基底的面形变化量来研究膜层的残余应力,同时通过建立 As40Se60/ZnS/Ge/ZnS/Ge/ZnS/YbF3/ZnS 红外光学镜片膜系结构的有限元模型来研究膜层的热应力,分析了膜系结构中热应力在轴向与径向上的分布情况,讨论保护膜的热应力与沉积温度、相邻膜层、不相邻膜层和基底的关系,为减小硫系玻璃镀膜的热应力提供理论依据。1 理论分析和膜层制备1.1 残余应力和热应力光学薄膜膜层的残余应力主要与薄膜沉积工艺、薄膜材料的热力学性质及热处理工艺有关11。根据其形成机制,
15、可将膜层残余应力分为内应力、热应力和其他应力,内应力和热应力是残余应力的主要来源12。内应力是在薄膜沉积过程中产生的,由膜层的微观结构决定13,薄膜沉积工艺对其影响较大。热应力的产生是由于不同的光学材料具有不同的热力学性质,在镀膜过程中,随着温度的变化,基底和膜材料的热膨胀系数不同,从而导致了热应力的产生。此外,还可根据薄膜应力的表现形式,将薄膜应力分为张应力和压应力,当薄膜具有沿基底表面膨胀的趋势时,薄膜应力为压应力;若薄膜具有沿基底收缩的趋势,则薄膜应力为张应力14。若张应力过大,容易导致薄膜开裂,基片弯曲;若压应力过大,会引起薄膜出现皱褶、脱落的现象。一般来说,若应力值为正值,则为张应力
16、,反之则为压应力15。由于残余应力的作用,基底在镀膜后会产生弯曲,基底弯曲的程度可以体现膜层残余应力的大小,由Stoney 公式16可以计算膜层的残余应力=4Es3(1-s)t2stfPD2S(1)式中:Es和 s分别为基底材料的弹性模量和泊松比,ts和 tf分别为基底和膜层的厚度,DS为基底的直径,P 为镀膜前后 Power 值的差值。1542研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷图 1 膜层结构示意图Fig.1 Schematic diagram of film structure在镀膜过程中,热应力主要产生于膜层沉积结束后降温的阶段,由于此时温度变化较大,膜层与基底材料间也就产生了较大的热应力。在如图1 所示的多膜层膜系结构中,假设基底与薄膜均不发生塑性变形,第 i 层薄膜的热应力可以表示为17i=Ei1-i(s-i)T-ni=1Eiti(s-i)TEsts-ni=16Eiti(s-i)TEst2sz-12ts1+ni=1EitiEsts()i=1,2,3n(2)式中:下标 s 和 i 分别代表基底和第 i 层薄膜,Ei为第 i层膜的弹性模量,ti为第 i 层膜的厚度,s和
