CC BY
50
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ март-апрель 2016 Том 16 № 2 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS March-April 2016 Vol. 16 No 2 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en
УДК 681.7.064
МНОГОСЛОЙНЫЕ АНТИБЛИКОВЫЕ ПОКРЫТИЯ С ТОНКИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ Ю.А. Константинова3, Л.А. Губанова3
a Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [email protected] Информация о статье
Поступила в редакцию 26.10.15, принята к печати 11.01.16
doi:10.17586/2226-1494-2016-16-2-375-378
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования: Константинова Ю.А., Губанова Л.А. Многослойные антибликовые покрытия с тонкими металлическими слоями // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 2. С. 375-378. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-2-375-378
Аннотация
Предложены конструкции антибликовых покрытий для металлических поверхностей Al, Ti, Ni, Cr. Покрытия представляют собой чередующиеся слои диэлектрик-металл-диэлектрик с числом ячеек до 15. Предложена методика расчета подобных покрытий. Рассчитаны покрытия вида [HfO2/Cr/HfO2]15, [ZrO2/Ti/Al2O3]15, [ZrO2/Cr/ZrO2]15. Показано, что предложенные интерференционные покрытия обеспечивают снижение остаточного коэффициента отражения на металле в несколько раз (от 3,5 до 6,0) в широком спектральном диапазоне (300-1000 нм). Предложенные покрытия могут быть рекомендованы в качестве антибликовых покрытий энергосберегающих солнечных систем и батарей, а также для фотоэлектрических преобразователей. Ключевые слова
антибликовое покрытие, тонкие слои, металлическая поверхность, коэффициент отражения Благодарности
Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского научного фонда (соглашение № 14-23-00136)
ANTIREFLECTION MULTILAYER COATINGS WITH THIN METAL LAYERS
Yu.A. Konstantinova3, L.A. Gubanova3
a ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [email protected] Article info
Received 26.10.15, accepted 11.01.16 doi:10.17586/2226-1494-2016-16-2-375-378 Article in Russian
For citation: Konstantinova Yu.A., Gubanova L.A. Antireflection multilayer coatings with thin metal layers. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 375-378. doi:10.17586/2226-1494-2016-16-2-375-378
Abstract
The design of anti-reflective coatings for metal surfaces of Al, Ti, N,i Cr is proposed. The coatings have the form of alternating layers of dielectric/metal/dielectric with the number of cells up to15. The method of calculation of such coatings is proposed. We have calculated the coatings of the type [HfO2/Cr/HfO2]15, [ZrO2/Ti/Al2O3]15, [ZrO2/Cr/ZrO2]15. It is shown that the proposed interference coatings provide reduction of the residual reflectance of the metal several times (from 3.5 to 6.0) in a wide spectral range (300-1000 nm). The proposed coatings can be recommended as anti-reflective coatings for energy saving solar systems and batteries, and photovoltaic cells. Keywords
anti-reflective coating, thin layers, metal surface, reflection coefficient Acknowledgements
The work is financially supported by the Government of the Russian Federation and the Russian Scientific Foundation (Agreement No. 14-23-00136)
Развитие новых технологий, усложнение конструкций интерференционных покрытий, появление более точных методов контроля толщины слов в процессе их изготовления позволили создавать достаточно тонкие слои (геометрическая толщина может составлять dmin=2 нм), которые смогут вносить свой вклад в выходные характеристики разрабатываемых многослойных покрытий. На границе двух сред с разными показателями преломления наблюдается некоторое отражение, определяемое формулой Френеля
[1]. Формирование на рассматриваемой границе тонкослойных структур изменяет этот коэффициент. Когда структура выполняет функцию антибликового покрытия, наблюдается снижение коэффициента отражения. Он достигает некой величины и носит название остаточного коэффициента отражения. Уменьше -ние коэффициента отражения от границы раздела металл-воздух возможно при использовании интерференционного покрытия, которое сформировано из чередующихся слоев металлов и диэлектриков [2]. Антибликовые покрытия наносятся в целях увеличения эффективности работы солнечных батарей [3], нейтральных фильтров, фотоэлектрических преобразователей [4] и других элементов.
Для создания антибликовых покрытий применяют пленки нитрида кремния и диоксида титана [5, 6], керметные пленки [7], структуры со слоями из фторида магния [8], светопоглощающие покрытия на основе углеродных нанотрубок [9] и покрытия с металлическими наночастицами [10]. В настоящей работе представлены структуры многослойных покрытий, состоящих из чередующихся тонких металлических и диэлектрических слоев. За счет наличия поглощения в металлических слоях такие структуры, по сравнению с покрытиями только из диэлектрических слоев, позволяют существенно снизить коэффициент отражения металлических поверхностей.
Для расчета остаточного коэффициента отражения авторами использован матричный метод [11]. При нормальном падении света на границу раздела двух сред с разными показателями преломления амплитудный коэффициент отражения изотропного, однородного, бесконечно протяженного плоскопараллельного слоя равен
(«0тп -п т22) + /(«0п тп -т2Х) г =-----, (1)
(«0 т11 + «рт22) + /(«0 «рт12 + т21) где т11, т12, т21, т22 - элементы матрицы интерференции преобразования электромагнитного излучения, которая иногда в литературе называется матрицей интерференции [12]; «0, пр - показатели преломления сред, из которых распространяется излучение, и на которых расположен слой. Рассмотрим структуры покрытия, состоящие из чередующихся диэлектрических и металлических слоев. Предположим, что это покрытие формируется из повторяющихся элементарных симметричных ячеек, состоящих из трех слоев - диэлектрик-металл-диэлектрик, и они повторяются Ь раз. Фазовые толщины каждого слоя этой ячейки
2л«Д 2п(«2 - 2пп3d3 г,
-^ т - —-т --^^ , где А - длина волны; «1, «3 - показатели
соответственно равны ф1
Ф2
Фз =
АЬ АЬ АЬ
преломления соответствующих диэлектриков; «2 - показатель преломления металлического слоя; к2 -коэффициент поглощения; d1, d2, d3 - геометрические толщины соответствующих слоев. Тогда матрицы
интерференции каждого слоя будут иметь следующий вид:
( 1 V
Ml =
cos ф1
-sin ф1
m1sm ф1 cos ф1
(
M2 =
M3 =
cos Ф2
n2 - ik2
i(n2 -ik2)sinф2 cosф2
i . V
cos Ф3 -sin Ф3
n3
sin ф2
vin3 sin Ф3 cos Ф3
Матрица, характеризующая всю структуру интерференционного покрытия, может быть определена следующим образом [11]:
M=M1-M2-M3.
Элементы результирующей матрицы используются для расчета амплитудного коэффициента отражения r по формуле (1). Остаточный коэффициент отражения, оценка которого производилась в работе, выражен через следующую закономерность:
R = |r|2.
Расчеты остаточного коэффициента отражения для различных сочетаний диэлектриков и металлов выполнены с использованием пакетов программ MathCAD и Mathlab. При формировании покрытия в качестве диэлектриков использованы тугоплавкие окислы: оксид гафния HfO2, оксид циркония ZrO2, оксид алюминия Al2O3; металлические слои формируются из металлов - алюминий, титан, никель, хром. Металлы выбирались из технологических возможностей формирования тонких слоев в вакууме, их стоимости и химической стабильности. Расчеты реализовывались при условии, что толщина металла, на котором формируется покрытие, в тысячи раз превосходит толщину металлов в покрытии. Это действительно так, поскольку толщины слоев составляют доли длины волны видимого диапазона, а толщина де-
Ю.А. Константинова, Л.А. Губанова
талей из металлов измеряется в миллиметрах. Повторяющиеся симметричные системы из трех слоев для краткости назовем ячейками.
В процессе исследования был проведен анализ спектральных характеристик различных конструкций предложенных покрытий. Сравнивались спектральные характеристики конструкции покрытий, включающих в себя от 1 до 29 ячеек, среди которых наилучшими антибликовыми свойствами обладали системы, сформированные из 15 ячеек. При формировании покрытия, состоящего из 15 ячеек (НГО2/Сг/НГО2), на поверхности алюминия в диапазоне длин волн 300-1000 нм остаточный коэффициент отражения снизился в 6,06 раз, в среднем он составил величину ^=14,9%. Антибликовое покрытие, состоящее из ячеек ^г02/Т/Л120з)15 позволило снизить остаточный энергетический коэффициент отражения оптической поверхности детали, изготовленной из титана в 3,68 раз, и в среднем составляет ^=12,3%. Покрытие, состоящее из системы ячеек (НГО2/Сг/НГО2)15, снижает остаточный коэффициент отражения у никеля на подложке в 3,89 раз и в среднем имеет значение ^=14,2%. На поверхность из хрома лучше всего нанести покрытие из ^г02/Сг^г02)15, оно обеспечит снижение остаточного коэффициента отражения в 3,54 раза и в среднем ^=14,95%. Полученные данные сведены в таблицу.
Материал подложки Средний коэффициент отражения металла в области Покрытие Минимальное значение коэффициента отражения в области Средний коэффициент отражения в области длин волн 300-1000 нм, %
длин волн 300-1000 нм, % длин волн 300-1000 нм, %
Al 90,3 [Hf02/Cr/Hf02]15 4,3 14,9
Ti 45,3 [Zr02/Ti/Al20s]15 1 12,3
Ni 55,3 [Hf02/Cr/Hf02]15 7,5 14,2
Cr 53 [Zr02/Cr/Zr02]15 6,2 14,95
Таблица. Таблица значений коэффициентов отражения для разных металлических подложек
Рассмотренные антибликовые покрытия представляют ценность с точки зрения энергосбережения и могут быть использованы при изготовлении элементов солнечных батарей [13] и систем, обеспечивающих нагрев воды с использованием солнечной энергии [14]. Все вышеуказанные интерференционные покрытия работают в широком диапазоне длин волн. Эти покрытия можно формировать на металлических поверхностях (массивных и тонких), формирующих нейтральные фильтры [15], фотоэлектрические преобразователи, а также на приборах, испытывающих оптические потери, связанные с отражением излучения от поверхности прибора.
Литература
1. Ершов А.В., Машин А.И. Многослойные оптические покрытия. Проектирование, материалы, особенности технологии получения методом электроннолучевого испарения. Н. Новгород: ННГУ, 2006. 99 с.
2. Адамсон П.В. Антиотражающие поверхностные покрытия с непрерывно изменяющимся комплексным показателем преломления // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. №22. С. 50-57.
3. Достанко А.П., Коробко А.О., Кайдов О.А. Новые тенденции в развитии в технологии и конструкций кремниевых тонкопленочных солнечных элементов // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. 2011. №3. С. 69-75.
4. Василевич В.П., Васильев Ю.Б., Достанко А.П., Кайдаров О.Л. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Минск: Бестпринт, 2008. 420 с.
5. Хасс Г., Франкомб М., Гофман Р. Физика тонких пленок. М.: Мир, 1978. Т. 8. 359 с.
6. Ibrahim A., El-Amin A.A. Etching, evaporated contacts and antireflection coating on multicrystalline silicon solar cell // International Journal of Renewable Energy Research. 2012. V. 2. N 3. P. 356-362.
7. Li X.-F., Chen Y.-R., Maio J., Zhou P., Zheng Y.-X., Chen L.-Y., Lee Y.-P. High solar absorption of a multi-layered thin film structure // Optics Express. 2007. V. 15. N 4. P. 1907-1912. doi: 10.1364/0E.15.001907
8. Yang H.-H., Park G.-C. A study on the properties of MgF2 antireflection film for solar cells // Transactions on Electrical and Electronic Materials. 2010. V. 11. N 1. P. 33-36. doi: 10.4313/TEEM.2010.11.1.033
9. Garcia-Vidal F.J. Metamaterials: Towards the Dark Side // Nature Photonics. 2008. V. 2. P. 215-216. doi: 10.1038/nphoton.2008.45
10. Моисеев С.Г., Явтушенко М.С., Явтушенко И.О., Жуков А.В. Антиотражающее покрытие с металлическими наночастицами // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15. № 4-3. С. 749-754.
11. Путилин Э.С. Оптические покрытия: Учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. 227 с.
12. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. Л.: Машиностроение, 1977. 264 с.
13. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 317 с.
14. Aiken D.J. High performance anti-reflection coatings for broadband multi-junction solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2000. V. 64. N 4. P. 393-404.
15.Macleod H.A. Thin-Film Optical Filters. 4th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2010. 800 p.
Константинова Юлия Андреевна Губанова Людмила Александровна
Yulia A Konstantinova Lyudmila A. Gubanova
инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
доктор технических наук, доцент, профессор, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
D.Sc., Associate professor, Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
