Bài thuyết trình Các loại màng quang học

Bài thuyết trình Các loại màng quang học bao gồm những nội dung về phân loại các loại màng quang học, phương pháp tạo màng học, màng chống phản xạ, màng phản xạ cao, màng ITO, màng lọc giao thoa. Mời các bạn tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.

Dàn ý

• Phân loại các loại màng quang học

• Các phương pháp tạo màng quang

• 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

Đối với màng

đa lớp

Sử dụng nhiều ma trận Mi liên

tiếp nhau

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

Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD)

Phương pháp ngưng tụ hóa học (CVD)

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG

Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition

Các hạt vật

liệu di chuyển

 Các phản ứng hình thành hợp chất (nếu có), xảy ra trên đường đi

Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế → Màng

 Các hạt vật liệu di chuyển

 Một chất khí được đưa vào (precursor)

 Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế, phản ứng với chất khí → Hợp chất → Màng

Tđế < 500 0 C Tđế ≈ 900 – 1200 0 C

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

Bốc bay nhiệt điện trở

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

Substrate

Flux

Cruciblebeam

mA = 1.5 kW

• Năng lượng này đủ làm nóng

hết các vật liệu trên 1000o C

• Năng lượng nhiệt được

khiển bởi dòng điện tử

Evaporant

Bốc bay chùm 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/sVật 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

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

Ưu điểm của bốc bay chùm điện tử

(PLD – Pulse Laser Deposition)

+

+ +

+ +

+

Electron

Nguyên tử trung hòa + Ion +

Laser

 Chùm laser xung công

suất lớn được chiếu vào bia.

 Bia hấp thu năng lượng

laser, nóng lên và bay hơi

 Phía trên bia hình thành một vùng không gian chứa

plasma phát sáng

 Các hạt vật liệu bia

ngưng tụ  màng trên đế

Trong vùng không gian

bên trong buồng chân không,

+

 Áp một điện thế lên bia-đế, ion + “tiến” về bia,

e - “tiến” về đế

+

 Ion + “đánh bật”

 Hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,

 lớp màng.

Hệ phún xạ một chiều

(DC – Direct Current)

Hệ phún xạ xoay chiều(RF – Radio Frequency)

cathode là

một chiều

Bia sử dụng phải dẫn điện

phóng

Vanode-cathodexoay chiều

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 và không cân bằng

Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng

Các đường

Hệ mag netron không cân bằng, nam châm

ở giữa có

cường độ yếu hơn

Các đường sức

trường

Từ trường

khép kín

Các e chịu tác dụng của từ trường ngang

e chủ yếu chuyển động gần bia

(hướng vô)

Từ trường không khép kín

Các e ít chịu tác dụng của từ trường ngang

e theo điện trường đến đế với v lớn

Đế bị nhiều e

va đập mạnh

Đế bị đốt nóng

Thích hợp tạo các màng yêu cầu T

Điện trường

ộ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng 100 lần so với phúnphẳng

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

 Các hạt chuyển động Brown, va chạm nhau Hạt sol

Chất ban đầu tạo nên HỆ SOL PRECURSOR

Công thức chung: M(OR)xM: nguyên tố kim loại

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

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

Phủ nhúng

(Dip Coating)

Phủ quay (Spin Coating)

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

và nhược điểm phương pháp Sol – gel:

phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản

sản xuất màng có chất lượng cao.

thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường.

- 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.

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

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 )

Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ ( λ/4 )  gọi là lớp phủ ¼

( quarter-wave coating )

Thực tế, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi khi qua lớp phủ.

Độ dày lớp phủ : λ o /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

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):

Màng Kim loại

Phương pháp tạo màng: (tráng gương)

Đế thủy tinh (gương)

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

IV MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR):

Màng Điện môi

Nguyên tắc: - Bề dày của mỗi lớp

thường là 1/4 bước sóng tới (λ/4).

- Phản xạ tại mỗi mặt tiếp giữa hai lớp HL, hiệu quang 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 với lớp L-H > sóng giao 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.

Hạn chế: dễ bị chói, bị ảnh ma

sử dụng ở vùng quá sáng

ánh sáng rối.

Màn hình gương

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.

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT:

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT:

Màng ITO

Phương pháp: Phún xạ magnetron bằng dòng 1 chiều

Bia gốm ITO với thành phần In 2 O 3 + 10 % SnO 2 Khoảng 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

150 0 c

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:

- có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp

- 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

Hạn chế:

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT:

Màng ITO

Ứng dụng:

Điện cực trong suốt trong các

màn hình mặt trời màng mỏng công nghệ màn hình phẳng

IV MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT:

EML ETL/EIL

Sử dụng trong công nghệ cáp

quang: lọc lựa những bước

sóng cần thiết để truyền đi hay

tách thành các sóng cần thiết