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特殊的问题

工程纳米结构无机材料的光学和化学应用

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体积 2012年 |文章的ID 984048年 | https://doi.org/10.1155/2012/984048

芳江,刘燕,勇杨黄Zheng-Ren Gui-ling刘,刘Xue-Jian丹•李, 光学制造和表面微结构的研究进展修改原文如此”,《纳米材料, 卷。2012年, 文章的ID984048年, 9 页面, 2012年 https://doi.org/10.1155/2012/984048

光学制造和表面微结构的研究进展修改原文如此

学术编辑器:永胜李
收到了 2012年10月3日
接受 2012年12月11日
发表 2012年12月31日

文摘

SiC已成为空间的最佳候选人材料镜和光学设备由于一系列良好的物理和化学性质。精细表面光学质量与表面粗糙度(RMS)小于1 nm为精细光学应用程序是必要的。然而,碳化硅陶瓷存在各种缺陷,很难波兰SiC陶瓷矩阵与纳米RMS。表面改性碳化硅陶瓷碳化硅衬底上必须完成。四种表面改性路线包括热压玻璃、C / SiC鼓掌,SiC鼓掌,如果鼓掌在碳化硅表面已报告和审查。表面改性的方法,制备的机理,缺点和优点都集中在本文。在我们看来,PVD Si是碳化硅反射镜的表面改性的最佳选择。

1。介绍

目前,镜系统中最重要的设备一般应用高精度的光学系统。直到现在,三代反射材料已经开发出来。第一代是微晶玻璃;第二个主要是金属制成的,如铍金属及其合金;的第三代是基于碳化硅反射镜材料。SiC可能是最好的材料可供镜光学因其杰出的热物性参数和力学性能参数的组合。甚至有出色的尺寸稳定性的干扰下温度、湿度和化学物质。其特定的刚度和弹性模量都高于铍,毒性。SiC的密度略高于铝,其断裂韧性比玻璃高。碳化硅的硬度的显著特性,刚度和热稳定性,加上一个合理的密度空间应用确实是最重要的。 This combination of material advantages makes SiC an excellent material candidate for space optical instruments [1,2]。

基于微观结构和加工路线,四种碳化硅陶瓷包括热压SiC (HP-SiC) reaction-bonded SiC (RB-SiC)烧结碳化硅(S-SiC)和化学汽相淀积SiC (CVD-SiC)开发。不同的碳化硅材料的属性,以及各种碳化硅的简短描述组件制造技术总结在表1(2,17]。无论准备过程,很难获得高质量的光学表面由于抛光光秃秃的SiC非常困难。此外,微观结构缺陷,如气孔、步骤在不同的阶段,和晶界破坏,是不可避免的在一定路面条件和提供更多的困难在抛光材料。表面抛光的AFM地形图像1嗯磨料颗粒不同的碳化硅陶瓷如图1。仍然存在两个阶段之间的接口的步骤在RB-SiC S-SiC,它不能满足光学需求(< 1海里RMS)。碳化硅陶瓷的rms表面粗糙度值6.464和3.017 nm (18]。高硬度和复杂的晶体阶段结构的碳化硅材料表明,高精度光学组件的制造是昂贵的和缓慢。解决这个问题的关键是选择合适的制备过程碳化硅表面改性的基质材料,镀致密碳化硅反射镜光学涂层,涂层抛光。表面处理对大型光学组件的效率可以大大提高。此外,抛光表面微观结构缺陷的碳化硅陶瓷涂层上面提到的可以掩盖的过程。介绍了光学表面的最新发展过程和碳化硅衬底热压制玻璃,C / SiC鼓掌,心血管疾病和PVD-coated碳化硅和硅涂层方法详细(19- - - - - -21]。


材料 密度(克/厘米3) 自由州的斯 各向同性 成本 准备周期 表面改性

HP-SiC 3.20 没有 短期内 要求
RB-SiC 3.04 是的 短期内 要求
S-SiC 3.10 没有 更糟糕的是 较低的 长期 要求
CVD-SiC 3.21 没有 最好的 长期 Nonrequirement

2。光学制造碳化硅

然而,RB-SiC材料通常是很困难的。碳化硅是比大多数其他材料除了钻石,立方氮化硼(cBN)和碳化硼(B4C),因此可用刀具材料加工RB-SiC非常有限。最近的努力专注于RB-SiC的精密机械加工,研磨,研磨,抛光,组合这些24,25]。碳化硅的光学制造方法的主要特点和分类如表所示2(26- - - - - -28]。


光学制造碳化硅 原则 特征 例子

机械抛光 机械摩擦和材料去除 低效率 最终的表面精度1 nm RMS帕奎因等报道。3]
湿式抛光 抛光模具沉浸在泥浆,RMS变得低的磨料 表面精度高 最终的表面精度0.75 nm RMS报道了徐et al。4]
超精密磨削 延性磨削 设备要求高 Bifano et al。5)使用CVD SiC获得5.5 nm RMS
仪抛光 仪反应 低效率 在[6),最后表面1 nm RMS的准确性
电解过程
敷料(ELID)
砂轮的电解过程的功能 良好的表面质量 在[7),最后表面精度为1.4 nm RMS
化学机械抛光(CMP) 结合机械磨和化学腐蚀 表面质量好,但具有腐蚀性 在[8),最后表面精度为0.5 nm RMS
磁流变加工(MRF) 磁流变抛光液粘度增加了材料去除的剪切力产生的磁场梯度 低效率
约翰逊等人用这种方法制造CVD SiC (9]
激光光化学抛光 激光光化学反应 效率高,但具有腐蚀性 80海里的最终表面精度RMS被Murahara报道(10]
离子束铣 高速离子束撞击表面的样本 表面质量好,昂贵的设备 1纳米RMS的最终表面精度是由约翰逊et al。11]
浮法抛光 样品是漂浮在高速旋转的抛光板流体动压力 良好的表面质量 在[12),最后表面3 nm RMS的准确性

3所示。表面改性

碳化硅材料的表面改性是添加一个厚膜涂料碳化硅衬底的获得更好的表面质量和容易抛光。打磨抛光后,表面显示了一个非常光滑的表面,它可以满足光要求。最早的研究方法是热压玻璃、碳化硅表面改性是心血管疾病的最新发展——PVD-coated SiC和Si C / SiC鼓掌也应用于空间光学仪器。

3.1。热挤压玻璃

玻璃热压过程是由德国IABG公司和薄preshaped硼硅玻璃盘子彻底压到preground C /碳化硅衬底附近的高温玻璃软化温度。冷却后,玻璃板连着衬底不使用任何胶粘剂。导致层近似1毫米厚度和经济上可擦拭。但也有一些缺点的使用玻璃包覆在大的表面。例如高压的应用导致了CTE失配和残余内应力。现在,这个过程已经很少被使用在一个大镜子的大小(29日]。

3.2。Si / SiC鼓掌

Si / SiC包复处理由一个经济SiC-containing泥浆在preground表面的沉积。随后ceramization沉积覆盖层的热处理导致的转换泥浆包层致密,均匀的两相陶瓷碳化硅和硅组成的表层。硅/碳化硅层表现出强烈的化学键在C / SiC基材由于其化学性质有关。通过优化如果比碳化硅层,CTE可以调谐匹配与C / SiC散装材料在很广泛的温度范围。这是重要的一个热稳定的镜子。虽然描述两相硅/碳化硅包层表面可能不是适合superpolished低于1 nm RMS直接,Si / SiC包覆技术的优点可以概括为,传统的光学组件表面粗糙度与< 2 nm RMS可以获得标准光学抛光技术。对这项技术的一系列研究[29日- - - - - -31日由IABG和DSS公司)已报告。

3.3。SiC鼓掌

SiC鼓掌有相同的力学性能和热物理性能的碳化硅矩阵,以便SiC鼓掌碳化硅表面改性涂层的镜子吸引了研究人员的广泛关注。碳化硅涂层表现出许多杰出的属性,如各向同性好,硬度高,高的热导率,和优秀的光学性能特征。非晶碳化硅涂层由PVD技术与低温和短周期也被报道。

3.3.1。CVD SiC鼓掌

化学汽相淀积已经从1960年代,广泛应用于厚膜制备及其原则是反应的材料导致Si-containing前兆的分解是沉积在衬底表面形成一层薄膜。这部电影是良好的一致性和可重复性。这种方法应用于制备碳化硅涂层。抛光CVD-SiC(水晶立方α原文如此)也拥有良好的物理性质让镜子,如低密度、高熔点、低膨胀系数。

心血管疾病的主要前体SiC CH3SiCl3,反应方程式如下:CH3SiCl3(g)→SiC盐酸(s) + 3 (g)。致密碳化硅涂层具有优良的光学性质(表面粗糙度< 0.3 nm RMS)。它可以满足应用需求的镜面,它是最有效的方法之一表面改性应用反射镜做准备。但CVD过程与衬底温度高(> 1000°C)将导致SiC-matrix的变形。化学汽相淀积过程的另一个缺点是时间消费。

CVD SiC过程有不同的治疗方法,包括大气压化学汽相淀积SiC (APCVD原文如此),低压化学汽相淀积SiC (LPCVD原文如此),和等离子体增强化学汽相淀积SiC (PECVD) "32- - - - - -34]。不同的方法准备CVD SiC如表所示3


方法 优点和缺点 例子

APCVD 过程很简单,快速响应,但均匀性较差 钟和金13)使用单个水晶APCVD增长3 c-sic立方碳化硅薄膜。3 c-sic电影有一个很好的晶体质量没有双胞胎,缺陷,或混乱,一个非常低的残余应力

LPCVD 可以生长薄膜均匀和光滑形态3 c-sic电影中增长。低增长率LPCVD有不利的一面 Clavaguera-Mora et al。14)使用Si (CH3)4作为源材料沉积碳化硅薄膜的热CVD装置。电影在900 - 980°C是无定形纳米晶体平均粒径10 nm和有光滑的表面。表面轮廓测定法测量的均方根粗糙度(RMS) 6海里

PECVD 衬底温度低,沉积速度快。PECVD似乎"碳化硅薄膜沉积的非晶状态 诺维et al。15用PECVD准备无定形碳化硅",有很多的立方结构从表面上看,这表明多晶结构的存在

CVD碳化硅涂层已被广泛应用于表面改性碳化硅矩阵。例如,CVD SiC与0.2 nm RMS C /碳化硅基板被Trex报道先进材料(21]。的CVD SiC S-SiC基质的抛光表面粗糙度小于0.1 nm也被BOOSTEC报道。在中国,张(35)应用这种方法获得的表面粗糙度CVD-SiC 1.478 nm RMS。

3.3.2。PVD原文如此

高温(通常是1300°C)制备过程中CVD SiC可能导致更强的电影强调SiC镜子。这是由于不可接受的高残余应力积聚在沉重的截面。生产CVD SiC的成本作为一个大型自营衬底是非常高的。然而,PVD SiC似乎非常有吸引力的由于其相对简单,低衬底温度,和广泛的可访问性的行业。

Ion-Assisted沉积SiC (IAD原文如此)
的离子注入半导体迅速成为访问技术从1970年代因其优越的电子设备的生产能力。离子束nonsemiconductor材料的改性增强表面敏感属性一直积极追求在国际研发社区。这种技术的优点包括高密度、强附着力,能够产生任意厚涂料。也许IBAD技术的最重要的特征是经常显示控制等涂料性能的能力形态、附着力和压力以及化学计量。面积大的非晶碳化硅涂层可以通过这种方法准备碳化硅衬底。的α碳化硅涂层已经准备在RB碳化硅和抛光表面粗糙度0.2 nm美国HDOS RMS (3,36用离子束沉积方法。霍尔离子源(37)和高能考夫曼离子源(38)都可以用作离子束资源准备α碳化硅及其系统SiC-modified膜和表面粗糙度可以降到0.867 nm RMS和0.743 nm RMS。

磁控溅射SiC鼓掌
磁控溅射是广泛应用由于其低成本,高沉积速率、沉积温度低、附着力好电影的特性。碳化硅涂层是由烧结碳化硅目标射频磁控溅射沉积到商业monopolished RB碳化硅衬底保持在较低的温度。沉积速率快,所需的温度很低,但这部电影稳定的系统是不可持续的39]。磁控溅射SiC拍手准备的粗糙度下降到1.394 nm RMS (40)和3.184 nm RMS如图2由唐et al。22)和表面粗糙度Kortright和Windt[2埃的41]。

脉冲激光沉积SiC(骑士原文如此)
骑士是一种相对较新的技术和它的简单吸引人们的重视,减少投资成本,和灵活性。在骑士的过程42),高通量脉冲激光光束集中在目标材料形成的等离子体羽流。目标表面的加热率高(100 K / s)由于脉冲激光辐照导致的蒸发汽化点的目标无论其组成元素或化合物,所以目标化学计量学可以保留沉积薄膜。此外,由于加热率高的熔化的材料,骑士的水晶电影要求更低的衬底温度比其他电影发展的技术。这种方法的主要缺点是,高能参与过程也导致microparticulate在薄膜表面的形成。Vendan et al。43)准备α碳化硅薄膜fs-PLD和ns-PLD技术,发现碳化硅薄膜的表面粗糙度ns-PLD技术被fs-PLD比。Magida et al。32)准备了碳化硅薄膜在紫外波段表现出高反射率(40.7 - 121.6 nm), 1纳米RMS的表面粗糙度。

离子束溅射SiC (IBS原文如此)
离子束引擎概念是首先在美国发展起来的。IBS技术,SiC电影持平和光滑,大面积的密集的内部压力和低缺陷密度。例如,肠易激综合症碳化硅涂层已经准备和抛光小于2的RMS约翰逊(36)的光学系统要求超低分散性能。

3.4。如果鼓掌

如果涂料的热性能匹配与SiC如表所示4,那么如果拍手可以用于碳化硅表面改性。可以看出他们的热性能匹配,和Si可以用作反射器的好材料。CVD和PVD是主要的制备方法。


材料 α/ (ppm / K) / (W /可) α/ α/

RB-SiC 2.4 170年 80年 0.014 0.03
如果 2.6 156年 89年 0.017 0.029

3.4.1。CVD Si鼓掌

如果鼓掌是容易抛光与更好的表面质量和低成本的SiC-clapping。多晶硅生产的一个可伸缩的CVD过程表现出0.2 nm RMS的表面光洁度。多晶硅是三氯甲硅烷反应(SiHCl臆造出来的3)H过剩2根据反应:在热壁CVD反应器SiHCl3+ 2 h2→如果盐酸(s) + 4 (g)。然而,它不是广泛应用14,44因为柱状结构常出现在CVD Si。

多晶硅(19)也用于复合等先进陶瓷材料碳化硅,蓝宝石,热解BN,如果化学气相沉积(CVD)过程。如果包层的厚度从0.025到3.0毫米不等。CVD如果坚持很好上述所有材料,如果包层的高度强调和破裂。抛光后表面粗糙度可达到0.2 nm RMS。非晶硅薄膜形成的化学汽相淀积了崔et al。45]。没有反射器的偏置电压的非晶硅薄膜表现出0.119 nm RMS,但降至0.171 nm RMS−的反射器的偏置电压120 V,分别。

3.4.2。周围性血管疾病如果鼓掌

CVD Si通常是用高温(> 600°C),和周围性血管疾病如果电影是广泛使用的。如果涂层的应用可以减少表面耐磨性的碳化硅陶瓷不改变大部分材料的力学性能。表面处理对大型光学组件的效率可以大大提高(23]。因此,PVD Si似乎很有吸引力,因为它相对简单,低衬底温度,和广泛的可访问性的行业。Si鼓掌更容易被抛光,因为它是单相材料没有的阶段不同的抛光过程。PVD硅涂层现在成为一个碳化硅表面改性的首选方法。

真空蒸发Si鼓掌
真空蒸发沉积硅膜处理在高真空加热Si气化或升华冷凝成硅薄膜,从而被沉积在碳化硅衬底表面。该方法相对简单,具有较高的沉积速率。但柱状结构存在于硅薄膜和硅膜的物理性质不稳定。赵(46通过热蒸发)取得了非晶硅薄膜。近年来,该方法已得到改进。方等。47)在钢铁和铝基板上沉积硅膜由固体硅的电子束蒸发。

磁控溅射Si鼓掌
磁控溅射(属于PVD)似乎非常有吸引力是因为它相对简单和低衬底温度。许多研究者研究了这种方法,Aoucher et al。48)由直流磁控溅射沉积非晶硅在石英衬底上的速度约为1.5 nm / s。唐et al。22)利用射频磁控溅射方法准备硅薄膜的表面粗糙度17.992 nm RMS 1.183 nm RMS如图3

Ion-Beam-Assisted Si鼓掌
氢化非晶硅(硅:H)电影通常是由硅烷分解或溅射仪argon-hydrogen硅的混合物。反应温度较低(200°C)和制备参数可以控制。所以它被用来准备非晶硅薄膜。

光电导氢化非晶硅薄膜被ion-beam-assisted蒸发使用hydrogen-argon等离子体沉积。RB-SiC衬底的表面改性(49是使用与等离子体离子辅助电子束蒸发。RB-SiC衬底的表面粗糙度降低到0.0632 nm,散射系数降低到2.81%,平均反射率从500纳米到1000纳米是提高到97.05%;这些数据表明,良好的光学质量类似于细抛光玻璃陶瓷可以通过修改过程。

Plasma-Ion-Assisted沉积硅的鼓掌
薄膜的生产高质量的标准,热蒸发技术应用的协助下离子源提供额外的能量和动量影响增长的过程。较大的离子电流密度增加衬底区域可以采用等离子体源,生成过程是plasma-ion-assisted沉积(PIAD) [50]。在PIAD,薄膜是由高能离子轰击从等离子体离子源和电影的柱状微观结构破坏,导致薄膜的光学和机械性能的改善(51]。刘等人。23)准备了硅薄膜的方法,获得连续的,同质,well-bonded晶硅碳化硅陶瓷涂料。这意味着碳化硅衬底可以完全掩盖和衬底表面缺陷的影响表面形态的硅涂层可以被忽略,如图4

最近,PVD Si碳化硅基体上涂层进行了研究。具体应用PVD Si在地理望远镜的光学系统52),设计和建造一个SBIR计划由美国宇航局马歇尔太空飞行中心(所有)。SiC望远镜和“是”扫描镜是为了“通用的”GEO规格,和抛光后表面粗糙度下降到0.4 nm RMS。在中国,周围性血管疾病如果涂层沉积表面的抛光RB-SiC和S-SiC证明改善光学表面质量被唐抛光后et al。22]。PVD Si的表面涂层RB-SiC和S-SiC比裸露的SiC的更加顺利。RMS可以达到埃年级,反射率明显改善。

4所示。结论

碳化硅作为空间的第三代镜材料吸引了越来越多的关注和广泛的应用。硅碳化物由不同的制备方法有自己的优点,但仍不能满足光学需求(< 1海里当前光学处理后RMS)。碳化硅材料的表面粗糙度和反射表面改性后可以很好的改善。尤其是在CVD碳化硅涂层和PVD-Si SiC陶瓷涂层,表面粗糙度埃水平可以达到。各种各样的表面改性方法已经开发出来,每种方法都有其缺点。热压机的玻璃有一些缺陷的使用玻璃包覆在大的表面。C /碳化硅涂层可能不适合低表面粗糙度(< 1海里RMS)。化学汽相淀积过程与高温(> 1000°C)将导致SiC矩阵的变形。PVD方法准备SiC-film慢和修改后的电影是非常困难的抛光。在我们看来,PIAD Si反应温度较低(< 300°C),很容易被抛光。 The preparation process is relatively simple, and reproducible preparation of silicon-modified layer gives a dense structure, combined with the base firmly. Therefore, PVD Si is the best choice for surface modification of SiC mirror because of its relative simplicity, low substrate temperature, and wide accessibility by industry, especial PIAD Si.

确认

y杨感谢世纪项目(一百-人才计划)中国科学院的特别的融资支持。本研究也支持的部分从中国国家自然科学基金(基金号51071167,51102266),上海长江三角洲(没有科学项目。11495810100),上海浦江计划(10 pj1410700)。

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