（光学工程专业论文）光学薄膜在投影显示和光开关中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 7 二十世纪9 0 年代以来，显示技术和光通信技术的迅猛发展和产业化，极大 的促进了光学薄膜的发展，同时也对光学薄膜提出了更多更高的要求。论文针对 液晶投影显示和液晶光开关器件的要求，对系统中的光学薄膜进行了深入的研究 和探讨。论文主要包括以下几个方面内容： 设计了液晶偏振光开关器件，其机理是利用外加电场使液晶光轴发生变化， 进而导致折射率的变化从而产生全反射或高透过，实现了高截止度和大消光比。) 论文对液晶器件中的i t o 薄膜进行了分析研究。应用d r u d e 模型，根据正入 射时的透射率曲线拟合得到i t o 薄膜在可见光和近红外的复折射率，比较探讨 了用电子枪蒸发法和磁控溅射法制备的i t o 薄膜在近红外波段的折射率和消光 系数的差异；设计制备了光通讯中用的垂直入射透明电极，其透过率达到9 6 ； 设计得到了液晶偏振光开关器件使用的透明电极，其工作时红外c 波段平均反 射率在0 2 以下。 分析了液晶投影显示技术中的宽波段宽角度偏振分光器件，利用多个介质膜 堆的叠加得到初始结构，再经优化得到最终设计：并制备了性能良好的宽波段偏 振分光器件，其透射消光比达到7 0 0 ：1 。 设计制备了p h i l p s 棱镜分色合色系统使用的长波通和短波通膜系；并通过更 换低折射率材料将长波通和短波通膜系的s 和p 偏振分离从7 n m 缩小到4 r i m ： 采用不同的消偏振结构，将长波通和短波通膜系的s 和伊偏振分离分别降低到 2l n m 和2 3 r i m 。 论文讨论了眼镜改性薄膜的设计和制备，根据树脂镜片绿色减反射薄膜的特 殊要求，成功研制了用于工业生产的稳定的绿色减反射薄膜。 关键词：光学薄膜，p h i l i p s 棱镜，光开关，1 t o ，偏振分光，苌琵楚通。短波通i 消馈振，嘲 塑坚查兰曼圭兰垒堡塞 a b s t r a c t s i n c e 1 9 9 0 s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n t o f p r o j e c t o rd i s p l a y a n d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n sp r o m o t e so p t i c a lt h i nf i l m sp r o g r e s s ，a n dm o r et e c h n o l o g yr e q u e s t s a p p e a ri nt h eo p t i c a lo m t m g f i e l d i nr e s p o n s et ot h ed e m a n d so fl i q u i dc r y s t a l ( l c ) p r o j e c t o r a n dl co p t i c a ls w i t c h , o p t i c a lt h i n f i l m sc o r r e l a t e da r ed e s i g n e da n d d i s c u s s e d t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s l co p t i c a ls w i t c hd e s i g n e di nt h i sp a p e ri sb a s e do no p t i c a lm o d u l a t i o n t h a tt h e e l e c t r i cf i e l dc a bc h a n g et h ed i r e c t i o no fo p t i c a la x i so fl i q u i dc r y s t a l ，r e s u l t e di nt h e v a r i a n c eo fr e f r a c t i v ei n d e x i t p a na c h i e v e h i g l l c u t o f fa n d g r e a t e x t i n c t i o n c o o f f i c i e n t t h ei n d i u m - t i n - o x i d e ( r r o ) t h i nf i l m sa r ed i s c u s s e d u s i n gd r u d em o d e l ，t h e r e f r a c t i v ei n d e xo fi t ot h i nf i l m si se s t i m a t e dw i t ht h em e a s u r e dt r a n s m i t t a n c e t h e o p t i c a lp e r f o r m a n c e 仳k ) d i f f e r e n c e s b e t w e e ni t ot h i nf i l m s d e v e l o p e db y m a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n dt h o s eb ye - b e a me v a p o r a t i o n a l ec o m p a r e d a ni t o s t r u c t u r ei sp r o d u c e dw i t ht h ea v e r a g et r a n s m i t t a n c e9 5 9 f r o m1 1 p z nt o1 t p m a n o t h e ri t os t r u c t u r ei sd e s i g n e dw i t ht h er e f l e c t a n c el o w e rt h a no 2 i ncb a n do f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s t h ed e s i g no fb r o a d b a n da n dw i d ea n g l ep o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r ( p b s ) i s o p t i m i z e dw i t ht h ep r i m a r y s t r u c t u r eo fs e v e r a lf i l ms t a c k s t h eb r o a d b a n da n dw i d e a n g l ep b s w a sm a n u f a c t u r e da n di t st r a n s m i t t a n c ee x t i n c t i o nc o o f f i e i e ma c h i e v e d 7 0 0 ：1 l o n gw a v e l e n g t hp a s s a n ds h o r tw a v e l e n g t h p a s s t h i nf i l ms t r u c t u r e sa r cd e s i g n e d a n dp r o d u c e d c h a n g i n gt h el o wr e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l ，t h es e p a r a t i o no fs a n dp - p o l a r i z e dl i g h tr e d u c e sf r o m 7 n mt o4 n m a p p l y i n gt h ea n t i p o l a r i z a t i o ns t r u c t u r e ，t h e s e p a r a t i o n d e c r e a s e st oa b o u t2 3 u m i nr e s p o n s et ot h es p e c i a lr e q u i r e so ft h ea n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g so np l e x i g l a s ，a p r a c t i c a lc o a t i n gw i t hs t a b l ec o l o r a n d h i 曲p r o d u c t i o ny i e l di si n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：o p t i c a l t h i nf i l m ，p h i l i p s p r i s m ，o p t i c a ls w i t c h , i t o ，p b s ，l o n g w a v e l e n g t hp a s s ，s h o r tw a v e l e n g t hp a s s ，a n t i p o l a r i z a t i o n , a n t i r e f l e c t i o n 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 薄膜技术的萌芽，可以一直追溯到一千四百多年前的中国唐代，那时就有制 作陶瓷器皿表面的彩釉，这就是贵金属薄膜的制备和应用，这是人类早期的有关 薄膜技术的记载。1 7 世纪“牛顿环”的发现是薄膜光学的最早萌芽，但那时还 不能对此现象做出圆满的解释，直到1 8 0 1 年杨( y o u n g ) 在世界上第一次阐述 光的干涉原理之后，这种现象才得到了完满的解释。1 8 1 7 年夫琅和费( f r a u n h o e r ) 用酸蚀法在世界上制得第一批减反射膜【2 l ，标志着光学薄膜的开端。1 8 7 3 年，麦 克斯韦的巨著电磁通论【3 】出版，此书从理论上和本质上证明了光是电磁波， 奠定了分析薄膜光学问题所必需的全部理论基础【4 】。1 8 9 9 年出现的法布里一珀罗 ( f a b r y - p e r o t ) 标准具是早期薄膜光学的代表，它是带通滤光片的基本结构形式。 1 9 3 0 年真空蒸发设备的出现，使薄膜光学的飞速发展成为可能【j 。而后在实 验室里制造出了单层反射膜、减反射膜、分光膜和金属法布里一珀罗干涉滤光片 等光学薄膜器件。二战以后，现代光学技术得到了飞速发展。薄膜光学作为应用 光学的一个重要分支，也随着光干涉技术，激光技术，空间光学，真空技术的发 展而迅速发展。1 9 5 6 年瓦施切克( v a s i c e k ) 发表了第一本薄膜光学专著薄膜 光学( o p t i c s o f t h i n f i l m s ) p j ，第一次系统地论述了薄膜光学理论和设计思想。 1 9 6 9 年麦克劳德( m a c l e o d ) 用特征矩阵解释和计算光学薄膜，出版了他的专著 薄膜光学滤波器( t h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r s ) 【6j 。接着，在1 9 7 6 年尼特尔( k n i 砌) 发表了他的专著 薄膜光学( o p t i c s o f t h i nf i l m s ) 【”。这些专著的发表，逐步 成熟完善了薄膜光学理论，促进了光学薄膜技术的提高。光学薄膜技术的发展直 接推动了激光技术，显示技术，光通讯等现代光学领域的迅速发展。 光学薄膜通过在各种光学器件的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效 应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化f 3 j 。光学薄膜能够在不改 变光学器件的大小和重量的情况下，实现更多的光学及光电的要求【9 j 。进入9 0 年代以后，随着显示技术和光通信技术的迅猛发展和逐渐产业化，对于光学薄膜 的发展起到了很大的促进和推动作用，也对光学薄膜提出了更多更高的要求。 塑垩盔兰塑圭兰堡堡塞 第一节本论文的研究背景 1 液晶投影显示技术的发展 投影显示在近几年发展极为迅速，其中，尤以始于八十年代末九十年代兴 起的液晶投影显示更为突出，其不仅能实现高亮度和高分辨率的大屏幕显示，在 图像对 b 度、稳定性等方面性能良好，而且体积小、重量轻、灵巧、方便，是一 种较为理想的显示技术。据斯坦福资源( s t a n d f o r dr e s o u r c e ) 测算，1 9 9 6 年全 世界销售近4 0 万台液晶投影仪，销售额达6 3 亿美元，1 9 9 8 年液晶投影仪销售 6 0 万台，而且每年还在以2 0 以上的速度稳步递增。预计2 0 0 2 年销售将超过1 5 0 万台，市场潜力和发展前景十分巨大i l o l “l 。 液晶投影显示属于调制型投影显示。调制型投影显示的显示器件本身并不发 光，而是根据输入信号改变显示媒质的某些电光性能( 如反射率、透射率、折射 率、双折射、散射等) ，经外加光源的照射，把显示器件上的潜像经光学系统读 出并投影到屏幕上重现与输入信号相对应的图像 1 2 1 。具体到液晶投影显示，则 是利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶 单元的透光率或反射率，从而影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色 的图像”1 。 按液晶调制的工作方式，液晶投影显示可以分为透射式液晶投影显示和反射 式液晶投影显示。透射式液晶投影显示以有源矩阵扭曲向列型液晶显示 ( a m t n l c d ) 【1 】应用最多。a m t n l c d 有对液晶和厚度的变化及光波长的变 化不很敏感，响应速度较快，对比度较高等优点，但其开口率较低( 很难达到 8 0 9 0 ) ，对制造工艺要求很高。反射式液晶投影显示主要有液晶光阀( l c l ，v ) h s i 坫1 和硅上液晶( l c o s ) 方式f 1 7 】f 1 8 】。和透射式液晶板相比，反射式液晶板的主 要技术优势有：首先，能够实现高的开口率( 可以达到9 3 以上) ，因此，可以 实现更高的亮度；其次，反射式液晶板在全开时可以实现全反射，全关时反射输 出几乎为零，因此可以达到更高的对比度：另外，反射式液晶板的制造技术( 尤 其是l c o s 技术) 接近半导体集成电路的硅片加工技术，批量生产容易实现。反 射式液晶投影显示是液晶投影显示的发展趋势【l9 1 。 反射式液晶投影显示的光学分色合色系统主要有：p h i l i p s 棱镜系统，x - c u b e i i 方棱镜系统，星形棱镜系统等等。其中，p h i l i p s 棱镜系统的分色合色采用同一 浙江大学硕士学位论文 组棱镜实现，结构最为紧凑，是反射式液晶投影显示的光学系统的发展方向。 p h i l i p s 棱镜系统利用光学薄膜实现偏振分光和分色合色，在宽波段宽角度偏振分 光薄膜和消偏振效应的分色合色薄膜方面提出了更高的要求。 2 光开关器件的发展 随着光纤通信技术的发展和密集波分复用( d w d m ) 的应用，光联网( o t n ) 已经成为网络发展的趋势。而作为网络核心的开关元件，其性能的好坏成为决定 网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络故障下的恢复，都需要光开关的 控制。光开关是全光交换中的关键器件，可实现在全光层的路由选择、波长选择、 光交叉连接以及自愈保护等功能f 2 0 j f 2 2 j 。 传统的光开关技术主要采用波导和机械两种技术。波导开关的开关速度可以 达到微秒量级，且体积很小，易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插入损耗、 隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差。光机械开关有成本低、设计配置简 单、插入损耗较小等优点，但其设备庞大。不适用于大规模的开关矩阵等应用。 目前，光开关出现了很多新技术，主要有：m e m s 光开关、喷墨气泡开关、液 晶光开关、全息光栅光开关等【2 3 j f 2 4 l 。 大部分液晶光开关，是根据施加外部电场控制液晶分子方向而实现开关功能 的 2 5 o 它的优点在于，理论上的网络重构性比较好，响应速度可以达到毫秒甚 至几十微秒量级。但是由于其偏振相关性，容易造成插入损耗，同时降低消光比。 它是光开关器件的一个重要发展方向。 传统的液晶光开关器件主要是通过是否加电压决定灌注液晶的波片快慢轴 的相位，从而影响偏振光的振动方向实现的2 6 】1 2 8 1 。其主要缺点是偏振相关性高， 容易造成截止度低和消光比低。论文设计的液晶光开关器件是利用外加电场使液 晶光轴发生变化，入射偏振光的折射率发生变化，从而产生全反射或高透过的机 理。这样大大提高了截止度和消光比，降低了插入损耗，是一个良好的液晶光开 关器件的方案。 论文设计的液晶光开关是通过棱镜系统来实现的。液晶两侧的透明导电薄膜 是在高折射率基底下的大角度入射的透明导电薄膜，对设计制备透明导电薄膜提 出了更高的要求。 塑堑查兰堡主兰堡堡奎 第二节论文的主要研究内容 1 液晶光阀工作原理和相关光学薄膜 液晶光阀( l c l v ) 的基本结构如图1 1 所示。它由夹在二玻璃板间的透明导 电膜、l c ( 液晶层) 、介质高反射镜、光阻隔层和光导层等组成。工作时在两电 极间加上一定频率( 如i k h z ) 、峰值电压约l o v 的交流电。液晶层为介电各向 异性向列相液晶薄层，液晶分子的长轴与玻璃基板面平行，上下基板问连续扭曲 4 5 。，即扭曲向列排列f 2 9 】一1 3 l l 。 液晶光阀的工作原理为：当光导膜上无光照时，加在两f f o ( 透明导电膜) 电极的电压大部分降落在光导膜上，对应位置的液晶层上的电压低于其阈值电 压，故不改变液晶分子的排列，从而不产生双折射现象。因此，一束线偏振光二 次通过液晶层后偏振态与入射光仍相同，经与起偏器正交的检偏器后，光强输出 为零，光阀处于暗态。当 光导膜上有光照时，由于 光电导膜的光电效应，使 光电导膜的电阻率下降， 其电压降减小，相应地液 晶层电压上升，当液晶层 的电压超过阈值电压时， 液晶分子开始重新排列并 趋向于电场方向，这时液 a a rc 。a 矗n 窑b s u b s 口a t ee d i e l c c t r i cr m r r 。r a a 正c o a m 蝗d s u d s 口觚ee m e i c c m c o i 晶的双折射使一束线偏振 c i t of i l m sd l c1 a y e rf - 地址b l o c k i n gl a y e r 光变成椭圆偏振光，经检 。 图1 1 光寻址液晶光阀结构 偏器后将有光输出，称为 亮态。从而在读出端可得到一幅与写入图象对应的读出图象。 图1 1 中，c 是透明电极，f 是光阻隔层，g 是光导层，是典型的光电子功能 薄膜。a 是减反射薄膜，e 是介质高反膜，是典型的光学薄膜。 可见光学薄膜与光电子薄膜是液晶光阀的重要组成部分。 浙江大学硕士学位论文 2 用光学薄膜实现的分色合色系统 液晶投影显示需要分别对红绿蓝三色光进行调制。常见的偏振分色合色系统 之一是p h i l i p s 棱镜。其基本结构如图1 2 所示。 照明光束经偏振分柬棱镜( p b s ) 进入p h i l i p s 棱镜，1 、2 面镀有分色合色薄 膜，蓝光由l 面反射后，再由3 面全反射到达b 液晶光阀：红光由2 面反射后 经1 面全反射到达r 液晶光阀；绿光透射。为了满足全反射条件，1 ，3 面为空 气隙。r 、g 、b 三色光分别经三块液晶光阀调制后，由s 偏振光转变为椭圆偏 振光，再经p h i l i p s 棱镜后，其p 分量偏振光经p b s 出射，由投影物镜在屏幕上 形成彩色图像。p h i l i p s 棱镜在系统中既是分色元件又是合色元件，且分色时对 s - 偏振光应用，合色时对p 偏振光应用，是效率较高的分色合色系统。但这给分 色合色薄膜大大增加了难度，因为它必须将s 和p 分量的偏振分离减到最小。 3 铁电液晶光开关器件结构和工作状态 弘阀 铁电液晶光开关器件的结构如图1 3 所示。其中l c p l 。l c p 4 为铁电液晶开 关棱镜。它们开启时对于入射的偏振光来说是高折射率，这时光线就透射出液晶 开关棱镜。它们关闭时，对于入射的偏振光来说是低折射率，这时就发生全反射， 光线就反射出液晶开关棱镜。图中红线就是灌注的液晶面。 塑垩查兰堡圭兰垒兰茎一 p b s l 欠影 汤 yn q i ? l c p 3 l 、 谢境7 l i ：p 4 艾擘 卜 7 n 卜 l l 强等翟 1 2 图1 3 ，铁电液晶光开关器件结构图 1 ) 液晶光开关器件的工作状态分析 s 光直连状态：当l c p 3 开启，l c p 4 关闭时。从1 处进入的s 光，经过p b s 反射后透射过l c p 3 进入l c p 4 。由于l c p 4 处于关闭状态，发生全反射，经过 l c p 4 的出射斜面折射后由p b s 2 反射输出到1 。2 处的s 光以同样的方式出射到 2 。 s 光交叉状态：当l c p 3 关闭，l c p 4 开启时。从l ，2 处入射的s 光，经过 p b s l 反射后进入l c p 3 。由于l c p 3 处于关闭态，s 光发生全反射，经过反射镜 后透射过l c p 4 ，这时l ，2 光已经交换位置，经过p b s 2 反射后1 处入射的s 光 从2 输出，2 处入射的s 光从1 处输出。 p 光直连状态：当l c p l 开启，l c p 2 关闭时。从1 处进入的p 光，经过p b s 透射后透射过l c p l 进入l c p 2 。由于l c p 2 处于关闭状态，发生全反射，经过 l c p 2 的出射斜面折射后由p b s 2 透射输出到l 。2 处的p 光以同样的方式出射 塑坚查兰璺主兰垡堡奎一 到2 。 p 光交叉状态：当l c p l 关闭，l c p 2 开启时。从1 t 2 处入射的p 光，经过 p b s i 透射后进入l c p l 。由于l c p l 处于关闭态，p 光发生全反射，经过反射镜 后透射过l c p 2 ，这时1 ，2 光已经交换位置，经过p b s 2 透射后1 处入射的p 光 从2 输出，2 处入射的p 光从l 处输出。 2 ) 铁电液晶开关棱镜结构分析 铁电液晶开关棱镜的结构如图1 4 所示。 玻氍基板 透明电极 般定削e 藏皇屡 最足削i 透明电瑕 玻璃蕾噎 图1 4 液晶开关棱镜结构 接个器件的透过率要达到9 0 。两端玻璃基板的外侧需要加镀减反射薄膜， 使通讯波长的反射率降低到0 1 0 2 。液晶定向层和液晶层的折射率都在 1 6 5 附近，它们之间的反射损失很小，在o 2 5 以下。主要光能损失在玻璃基板 和透明电极界面以及透明电极和液晶定向层界面。光线在膜层中的入射角为6 0 度，对这个开关器件来说，为使一个偏振方向要满足全反射条件，要求基板的折 射率在1 7 4 以上。我们采用的基板为z f 7 玻璃，在1 5 5 0 附近的折射率约为1 7 7 。 因此，透明电极需要加上匹配薄膜。 第三节论文的主要工作及特点 论文主要论述了广泛应用在显示技术和光通讯领域内的一些光学和光电子薄 膜的设计、制备、特性和稳定性分析。论文中薄膜设计和制备的范例主要是围绕 着显示技术中使用的p 1 1 i l 洒棱镜和液晶偏振光开关器件展开的。 针对液晶投影显示技术中使用的p h i l i p s 棱镜的要求，利用布儒斯特原理设计 并制备了宽波段宽角度的偏振分光器件，其4 5 0 入射时s 偏振光平均透过率为 0 1 2 ，p 偏振光平均透过率为8 8 ：通过等效导纳的计算分别设计制备了反红、 浙江大学硕士学位论文 反蓝分色合色光学薄膜：通过更换低折射率材料将长波通和短波通膜系的s 和 p - 偏振分离从7 n m 缩小到4 n m ，采用不同的消偏振结构，将长波通和短波通膜 系的s 和p - 偏振分离分别降低到2 1 n m 和2 3 n m 。设计并制备了宽带减反射薄膜； k 9 玻璃加镀双面减反射膜后，可见光平均透过率在9 9 以上。 论文设计了液晶偏振光开关器件。应用d r u d e 的模型，我们根据正入射时的 透射率曲线拟合得到i t o 薄膜在可见光和近红外的复折射率，比较分析了用电 子枪蒸发法和磁控溅射法制备的1 t o 薄膜在近红外波段的折射率和消光系数的 差异，用电子枪蒸发法制备的i t o 薄膜设计并制备了在1 1 a m - 1 7 9 t m 波长范围 内，入射媒质和出射媒质都是k 9 玻璃的情况下。平均透射率达到9 5 9 的膜系， 相应的方电阻为2 8 0 d i - i 。用磁控溅射法制备的i t o 薄膜设计了液晶偏振光开关 中使用的大入射角低损耗的透明电极，其在近红外c 波段的平均反射率小于 02 ；设计了液晶光开关使用的高要求的减反射薄膜，其在近红外c 波段的平 均反射率小于0 0 5 。 树脂镜片绿色减反射薄膜，不仅对反射光颜色，而且对低反射率，生产过程 的稳定性等具有特殊的要求，成功研制了用于工业生产的稳定的绿色减反射薄 膜。 论文的主要创新点在于： 设计了液晶偏振光开关器件；利用液晶在不同状态下对s 和p _ 偏振光 具有不同的有效折射率，通过匹配膜系实现不同状态下光在液晶中的 高透过和全反射；实现了光开关要求的高消光比。 模拟得到了红外i t o 薄膜的折射率；用电子枪蒸发法设计制备了通讯 中用的垂直入射透明电极，其在近红外工作波段透过率达到9 6 ；用 磁控溅射法设计了大角度入射低损耗的透明电极，在c 波段的平均反 射率小于落。 利用布儒斯特原理设计并制备了用于液品投影显示中的宽波段宽角 度偏振分光器件，对比度达到了7 0 0 ：1 。 通过采用不同的初始结构，设计得到小s 和p 偏振分离的p h i l i p s 棱镜 长波通和短波通膜系，偏振分离从7 n m 减小到2 i 2 3 n m 。 针对树脂镜片的特殊要求，应用减反射+ 颜色坐标的优化，设计出了 光学性能十分理想的绿色减反射膜，并实现了稳定的绿色减反射膜的 工业化生产。 浙江大学硕士学位论文 第二章透明导电薄膜的设计与制备 引言 透明导电薄膜( t r a n s p a r e n t c o n d u c t i v ef i l m s ) 因其能同时具有一定光谱范围 内透明和良好的导电性这两种性能而广泛应用在各种重要的领域，如液晶显示、 等离子体显示、场致发光显示、电致变色显示以及许多仪器仪表显示中的透明电 极，飞机、汽车、坦克、卫星及许多空问飞行器的除冰防霜薄膜，近红外前视系 统中的抗电磁干扰薄膜以及近年来广泛使用的建筑物等窗口上的透明隔热薄膜 和激光技术、空间光调制器、光开关及光存储器的透明电极等，都需要使用透明 导电薄膜【3 2 1 1 3 3 1 。 当前比较成熟的透明导电薄膜是f r o ( 氧化铟锡) 。r i o 薄膜的制备方法很多， 主要有电子枪蒸发、磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、分子束外延、喷射热 分解、脉冲激光沉积、溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 等【3 】【矧。 我们通过基板加温的电子枪蒸发，磁控溅射得到高质量的r i o 薄膜。并利用 电子枪蒸发的方法设计制备了垂直入射的液晶器件用的近红外高透明电极，利用 磁控溅射法制备的i t o 薄膜设计了大角度光通讯中光开关器件用的高透明电极。 第一节i t 0 透明导电薄膜的导电机理和折射率的测定 1 i t o 透明导电薄膜的导电机理 i n 2 0 3 和s n 0 2 属于半导体氧化物，具有类似于半导体的电学性质( 禁带宽度 较宽，大于3 e v ) 。f r o 薄膜的主要成分是i n 2 0 3 ，其禁带宽度约为4 e v ，所以其 导电不是依靠本征激发，而是靠附加能级上的电子和空穴的激发。在i i l 2 0 3 中掺 入少量s n 0 2 后，杂质s n 4 + 改变了i n 2 0 3 中自由载流子密度n 和电子迁移率u ， 使电导性能得到改善，在i n 2 0 3 中i n 3 + 是三价的，掺入四价的s n 4 + 时，规则晶格 点阵中的三价i n ”离子被四价s n 4 + 离子取代，形成替位离子，由于s n + 比i n 多一个正电荷，则在替位处形成一个正电中心，把s n 4 + 原子中一个价电子束缚 塑翌查兰堕主兰垡堡塞 在其周围，而这个束缚中心对此价电子的束缚力比正常晶格中对离子键价电子的 束缚力要小得多，从而可以通过热激发使这一电子脱离束缚中心，在晶体中准自 由地迁移，形成传导电流【3 7 】【3 8 | 。 从能带的角度来看，大量的掺杂，使i n 2 0 3 原来的能带结构发生变化。由于 杂质原子很多，它们之间相距很近，相邻杂质原子上的电子波函数将发生重叠， 被束缚的杂质原子上的电子就可能在它们之间转移，从而使孤立的杂质能级扩展 成为杂质能带。杂质能带很靠近导带底部，因此，常温下杂质能带上的电子很容 易跃迁到导带上成为自由电子。所以1 t o 薄膜中的自由载流子浓度随着s n 0 2 的 掺入而大大增加。电导率。与迁移率u 和载流子密度n 的关系为： 盯= e e n e 口( 2 1 ) 其中e 为电荷电量。所以，载流子浓度增大，导电性能会显著增加。 但是，i t o 薄膜中的掺杂也有个适量问题。掺s n 0 2 过少时，自由载流子浓度 虽有提高，但仍不够。而当掺杂过多时，杂质s n 4 + 离子除了会增加自由载流子 密度外，还起着散射中心的作用，当膜层中过量的s n 4 + 处于游离状态，则会严 重影响自由载流子迁移率，造成迁移率下降，同时吸收性合成物的形成还使透射 率降低。也就是说，轻掺杂时，可认为室温下杂质全部电离，载流子浓度近似等 于杂质浓度。而迁移率随杂质变化不大，可认为是常数，因而电导率0 与杂质浓 度近似成正比。而重掺杂时，由于自由载流子散射造成迁移率下降，杂质电离不 完全，因而电导率也不会显著增加。所以，s n * + 掺杂的比例应该适当。只有掺杂 适当，使自由载流子密度足够高，而迁移率又没有受到较大影响时，i t o 薄膜的 导电性能才可望得到最佳，电阻率达到最小。通常认为9 s n 0 2 杂质是一个比较 适度的量。 除掺杂比例外，影响i t o 薄膜导电性能的还有氧空位结构等。在不同氧分压 下，薄膜的氧含量不同，其化学组分与i n 2 0 3 相比，有不同程度的偏离。若氧分 压较低，薄膜因严重缺氧而呈现出低价氧化物( i n o ，i n 2 0 和s n o 等) 性质。s n 4 + 提供一个导带电子，相反s n 2 + 的存在会降低导带中电子的密度，影响导电性能。 由于低价氧化物的禁带宽度小，可见光吸收系数很大，所以会使透明性大为降低， 得不到良好的光学性能。而氧分压过高时，薄膜会因为氧空位浓度低而导电性能 下降，薄膜密度降低，结构不好，表面粗糙。 浙江大学硕士学位论文 2 i t o 薄膜复折射率的反演原理 有许多文献论述到测定单层弱吸收薄膜随波长变化的复折射率，大多数都是 通过测量薄膜的反射率和透射率光谱曲线的方法来反演出折射率、消光系数和厚 度【4 1 1 。反射率测量总是在一定角度下进行的，入射角的误差会引起两倍的反 射角变化，调准非常困难，并且反射率测量也容易受到样品表面粗糙度的影响， 因此反射率测量的精度不如透射率测量高。常用的分光光度计都有透射率测量， 但不一定有绝对反射率测量，因此如何从一条正入射透射率光谱曲线得出薄膜的 复折射率这个问题得到了特别的关注【4 2 j 【4 3 1 。众多的方法都应用了透射率或反射 率曲线的包络线来得出复折射率，其优点是能够容易地得到材料的色散，缺点是 薄膜需要镀得很厚。对于较薄的薄膜，可以通过测量两组不同厚度薄膜的方法得 出【州，或者测量反射率的峰值和相应的透射率的方法来得出复折射率f 4 5 】。 i t o 薄膜在近红外的消光系数很大，已经不属于弱吸收的范围，并且它的色 散也比较大，因此很难应用透射率包络线的方法。要从单一正入射透射率光谱曲 线得出它的复折射率，只能运用d r u d e 模型的复折射率色散公式，采用最小二乘 法拟合得到复折射率删。在光子能量比禁带宽度小的情况下，自由电子对i t o 薄膜的光学性能起着主要作用。d m d e 理论假定对介电函数有两种贡献，一种来 自自由电子，另种来自正离子。后一种实质上是常量，取决于等离子体频率【4 7 1 。 该理论给出介电函数与光子能量的关系【4 8 1 是： s = 呻一i 柚l = l 一拓2 ( 2 2 ) 喇( c o 巩一葶 ( 2 3 ) 咖) 2 云焘 ( 2 4 ) = 以f 2 c o 一 ( 2 5 ) 式( 2 2 2 5 ) 中屯为高频介电常数，( o n 是等离子体振动能频率，y 是驰豫能频 率。n e 为载流子浓度，岛为真空中的介电常数，。：为电子的确效质量。 从上面可以看出，薄膜的复折射率由三个参数所确定，即厶，n ，y 。又因 塑翌盔兰堡主兰垡堡苎 一 为。：3 9 5 o11 4 9 】，我们取气为4 。然后对应每个波长上的透射率值进行最 小二乘法拟合，可以得到薄膜的几何厚度。 3 方电阻及电阻率p 的测量 通常，测透明导电薄膜的电阻采用四探针法测量。其原理如图2 1 所示。4 个探针平行彼此距离相同都为i m m ，测量时在探针i 、4 问施加一直流电压，针 1 在膜中产生的电场是以该针为中心，在膜平面内辐射场距针1 为r 的场强为： e = = 嘉 c z 舢 z 厄z 况乙z 互磁 图2 1 四探针法测试原理 此电场在针2 、3 间产生的电位差为： 吃= i ：e d r = 2 p 耐l i n 2 ( 2 7 ) 式中i 为通过针1 的电流强度。同理，把针4 视为负场源，它在针2 、3 间产 生的电位差为 呢= 2 p 硝l l n 2 ( 2 8 ) 探针2 、3 间总电压是： 矿= 吃+ p 三：p - 丛i n 2 ( 2 9 ) 故方电阻 尺= = 裔号 眩t o ， 测出探针2 、3 之郇g f r , v 和流过探针1 的电流i 就可以求出方电阻r 【5 0 1 。 根据p = 尺d x l 0 。7 可得到电阻率p ( q c m ) 与膜厚d ( 姗) 的关系。 塑坚查兰! 主兰垡丝苎 第二节近红外高透明电极的设计和制备 要得到近红外高透过率的i t o 薄膜，首先需要对在一定淀积条件下根据单层 i t o 薄膜的透射率曲线测定推导出i t o 复折射率。然后根据要求的方电阻选择适 当的i t o 厚度，确定出此时膜系透射率的极限。根据诱导滤光片的思想设计出 减反射膜。 i 电子枪蒸发的i t o 薄膜的折射率和厚度测定 在我们采用的电子枪蒸发中主要的淀积参数有基板温度、氧分压和蒸发速 率。采用的设备是b a l z e r sb a k - 6 0 0 真空蒸发镀膜系统，不同的厚度是依据石英 晶体控制获得参数。 实验中我们采用的工艺条件是基板加温到2 8 0 0 c ，本底真空为4 0 1 0 一p a ， 充入0 2 至2 1 0 2 p a ，石英晶振指示蒸发速率为o 0 2 n m s 。在这样的相同淀积条 件下镀制了几组不同厚度的i t o 薄膜，对每一组膜都进行了拟合。 由于测得的透射率曲线有后表面反射的影响，因此我们近似地采用公式 t = t d t o 来进行修正。t m 为分光光度计的实测值，t o 为玻璃后表面的透射率，对 于k 9 玻璃，在5 0 0 h m 波长折射率为1 5 2 1 0 ，在2 岫波长，折射率为1 4 9 4 8 ， t o 的范围为9 5 7 3 到9 6 0 7 。三次实验的结果见表2 1 ，实测透射率曲线与由 复折射率计算所得的透射率曲线见图2 2 ，图2 3 和图2 4 。折射率和消光系数的 曲线见图2 5 和图2 6 。 表2 i 三次不同厚度单层i t o 薄膜拟合参数 样品石英晶体拟合得到的 h ( 对应n )k ( 对应y ) 平均误方电阻 编号指示值厚度差 11 5 n m3 9 r i m 7 5 50 r i m5 3 6 0 0 r i m0 6 3 4 9 0 q ，口 22 0 r i m 4 7 8 2 n m6 9 3 8 n m1 4 4 3 20 r i m0 6 2 1 8 0 q ，口 35 63 r i m1 3 3 2 4 n m7 7 85 r i m 1 5 2 9 63 r i m 09 2 7 5 q ，口 塑垩盔兰堡主兰竺堡苎 5 0 08 0 0 l 1 0 01 4 0 0 1 7 0 02 0 0 0 w a v e l e n g t h n m 图2 2l 号样品的实测透射率曲线与由复折射率计算的透射率曲线比较 5 0 08 0 0i1 0 01 4 0 01 7 0 02 0 0 0 w a v e l e n s t h n m 图2 32 号样品的实测透射率曲线与由复折射率计算的透射率曲线比较 、目芦口4 、 - i 删e s t i m a t e d 卜 f_ _ 5 0 0 8 0 0 ；嬲g 盔盟1 7 0 0 2 0 0 0 图2 43 号样品的实测透射率曲线与由复折射率计算的透射率 9 8 7 6 。l即oo哪 o l 9 8 7 6 5 4 o瓢釜黏_o o 5 0 08 0 011 0 0 1 4 0 01 7 0 02 0 0 0 w a v e t c n g t i v n m 图2 5 三个样品的折射率1 1 随波长变化曲线 5 0 0 8 0 0 艄唧圈盟1 7 0 0 2 0 0 0 图2 6 三个样品的消光系数随波长的变化曲线 从以上的实验结果可以看出，运用d r u d e 模型作为色散公式可以很好地拟合 实测的透射率曲线，两者的平均误差 8 0 。但是膜 的厚薄直接影响到i t o 的方电阻，因此，我们根据方电阻的要求，选取适当的 膜厚，再进一步选择匹配层来增加近红外的透射率。 2 i t o 近红外匹配膜系的选择和制备 由上面的拟合结果可知，i t o 在近红外1 5 $ x m 附近的复折射率表现出类似金 属的性质，无法应用常规介质薄膜的减反射原理来设计相应的减反射膜。但是我 们可以应用诱导透射滤光片的设计思想来设计匹配膜。 1 ) 理论分析 2 5 l 5 o 譬 0 5 2 5 5 o 2 0 浙江大学硕士学位论文 定义y = f t i 为势透射率，当仅有一层吸收膜的时候，设它的起始导纳为 x + i z ，将势透射率对x 和z 分剐求导，可求出使整个膜系吸收最小的起始导纳 x + i zi s o l 。 ：f 尘：! ：基! ! 鱼! 壁! ! 些壁! ! 堡! ! ! ! ! ! 一n 2 k 2 ( s i n 2 a c o s h 2 p + c o s 2 a s i n h 2 ：p ) 2 一【( n s i n h f l c o s h f l k s i n a c o s a ) ( n s i n h p c o s h p k s i n a c o s a ) z：nk(sin2acosh2fl+cos2asinh2f1) 竹s i n h p c o s h ，一ks i l l 口c o s a ) 口= 2 蒯，五 口= 2 n n k , , 匹配层的位相厚度为 。= 扣渤 n f 为匹配层膜的折射率。 匹配后的导纳为实数，数值是 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 如果此导纳和基板或入射介质折射率不匹配，则要增加相应的h l 膜堆来进 一步提高透射率。 选取样品2 ，即厚度为4 7 8 2 n m 的复折射率数据来进行设计。n “_ 2 2 ，n l = 1 4 5 。 i t o 在1 5 5 1 a m 的复折射率为0 2 6 4 4 + i i 0 0 1 9 。则x = 4 4 3 ，y = 7 7 5 ，d = 0 2 1 6 ， t , t = 0 2 5 7 3 ，v - - 9 8 8 5 。用这种方法设计出来的膜系通带狭窄，而且“偏离基板折 射率很远，要多个h l 循环才能达到匹配。为了拓展带宽，我们不选取势透射率 v 最大值，而是选择直接在i t o 两侧镀上一层匹配层的方法。 首先，需要确定匹配层材料的折射率，由于基板为玻璃，因此应该选取高折 射率材料作为匹配层，这样才可能使导纳接近4 4 3 + i 7 7 5 。然后，由这个导纳园 的路径得到一系列的导纳值x + 亿i ，把这些导纳值代入计算势透射率，选取 c ，= m “ 妒( x ，+ i z ，) ) ，此时的膜厚就是匹配膜的厚度，其v 。x 9 8 8 5 ，中心波 长i 5 5 1 t m 上的透射率降低为9 6 3 5 ，但是带宽得到了很好的改善。实际上这时 反射率的最低点与透射率最高点不在同一个波长上。 塑望奎兰堡主兰垒丝苎 2 ) 实验结果 我们的膜系结构为g t i 0 2i t ot i 0 2 g ，i t o 膜的几何厚度为4 8 r i m ，t i 0 2 膜的光学厚度为2 7 7 n m 。胶合后测得的透射率曲线见图2 7 ，相应的理论计算结 果也可以从图中看到。由于有两个玻璃基片的背面反射，t = = t o x t t o ， t 0 ：9 5 7 3 。o 9 6 0 7 。图2 8 是实际i t o 膜的透射率曲线。 5 0 08 0 011 0 01 4 0 0 1 7 0 02 0 0 0 w a v e l e n g t l f l