化學(xué)清洗對k9平板玻璃基片表面光學(xué)性能的影響

化學(xué)清洗對k9平板玻璃基片表面光學(xué)性能的影響

1p-偏振光面板反射法玻璃表面的特性在研究和設(shè)計薄膜和電子功能設(shè)備中起著重要作用。由于玻璃熔制加工、表面處理及使用老化等,造成了種種不同的玻璃表面結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致表面物理參量不同于玻璃體內(nèi)。長期以來,人們對玻璃表面的物理、化學(xué)性質(zhì)進行了廣泛、深入的研究。如掃描探針顯微術(shù)(SPM),光熱偏轉(zhuǎn)法(PD),X射線光電子能譜法(XPS),俄歇電子分光法(AES)及橢圓偏振法等。玻璃表面層的客觀存在,勢必對薄膜參量的精確測量產(chǎn)生很大的影響,并直接影響功能薄膜性能的優(yōu)劣。為了研究化學(xué)清洗對表面吸收的影響,必須對玻璃表面的光學(xué)參量進行準(zhǔn)確的表征。光學(xué)參量的測量主要采用橢圓偏振法。Dugoille等曾利用橢圓偏法測定了浮法玻璃表面的光學(xué)參量分布,當(dāng)表面層消光系數(shù)小于10-4時,采用以上方法進行測量是極為困難的。p-偏振光雙面反射法是一種高靈敏的薄膜光學(xué)參量測量方法,且結(jié)構(gòu)簡單,測量方便,尤其適合于極弱吸收膜及多層膜系的測量,即便對消光系數(shù)小于10-4的吸收膜,其反射比角分布也有明顯的差異。本文將p-偏振光雙面反射法用于玻璃表面層的分析,給出了不同清洗條件下玻璃表面層的光學(xué)參量分布。通過玻璃表面的形貌分析及激光損傷實驗,進一步證實了清洗程序?qū)Ρ砻鎸臃植技氨砻嫖盏挠绊?為制備高質(zhì)量的薄膜提供了有效的工具。2實驗2.1超聲清洗和烘干實驗樣品采用?35mm,厚3.5mm的K9平行平板光學(xué)玻璃,表面經(jīng)光學(xué)拋光,平行度優(yōu)于1′。樣品1測量前用去離子水進行超聲清洗30min,酒精沖洗后經(jīng)烘箱烘干。樣品2測量前置于10%的HCl溶液中超聲清洗30min,用去離子水進行超聲清洗30min,酒精沖洗后經(jīng)烘箱烘干。樣品3測量前置于10%的HCl溶液中超聲清洗30min,去離子水沖洗后,置于7%的NaOH溶液中超聲清洗30min,再經(jīng)去離子水超聲清洗30min,酒精沖洗后經(jīng)烘箱烘干。2.2膜層光學(xué)參量的確定利用p-偏振光雙面反射法,測量玻璃表面層的光學(xué)參量。方法簡述如下:一束強度為I0的入射光以θi角入射到鍍膜平板玻璃上,其前后表面反射光強Ia和Ib之比表示為γ=Ia/Ib=R13/T13R31T31(1)γ=Ιa/Ιb=R13/Τ13R31Τ31(1)式中,R,T分別表示反射率和透射率,下標(biāo)1,2,3分別代表入射介質(zhì)、膜層和基質(zhì)材料,根據(jù)多層吸收膜的光學(xué)導(dǎo)納遞推關(guān)系可計算γ-θi的關(guān)系。文獻詳細考察了p-偏振光反射比的角度調(diào)制曲線γ-θi的性狀與膜層參量的依賴關(guān)系。γ-θi曲線的極值位置、大小及形狀對膜層折射率nf,膜層消光系數(shù)kf及膜層厚度非常靈敏,從而為數(shù)據(jù)擬合時迅速確定膜層光學(xué)參量提供了方便。根據(jù)表面層的物理模型,通過簡單的數(shù)據(jù)擬合,即可確定玻璃表面層的光學(xué)參量。利用AutoProbeCP多功能原子力顯微鏡拍攝三種樣品的表面形貌并給出了表面粗糙度。采用調(diào)QNd∶YAG激光(波長1.06μm,脈寬10ns,單模TEM00)對不同化學(xué)清洗的玻璃表面輻照,激光用焦距為60cm的透鏡聚焦在樣品表面,光斑面積為50.24×10-6cm2,激光破壞以樣品表面出現(xiàn)閃光為限。3玻璃表面層結(jié)構(gòu)參數(shù)分布及損傷閾值玻璃表面層的光學(xué)參量不同于玻璃體內(nèi),折射率相差約1%,其厚度因玻璃品種和使用環(huán)境的不同相差較大。另外,玻璃表面層是一種多孔表層,易于進行離子交換,不能簡單地視為一均質(zhì)層。為此,可以把它看成折射率呈跳躍遞增(或遞減)方式分布的多層膜,利用多層吸收薄膜理論來處理表面層。我們采用nf=nf0+aexp(bz)kf=kf0exp(cz)}(1)nf=nf0+aexp(bz)kf=kf0exp(cz)}(1)這種連續(xù)變化形式的表面層模型(z為表面層深度,nf0,kf0,a,b,c為待定參量)進行計算,計算過程中,整個表面層按每層厚度僅為分子尺寸量級即把表面層看成是“準(zhǔn)連續(xù)”變化的結(jié)構(gòu)來處理。通過與實驗結(jié)果的數(shù)值擬合,得到各樣品的光學(xué)參量如圖1所示。樣品1表面層參量分布如下:nf=1.5283-0.0303exp(-0.0014z);kf=0.00082exp(-0.0005z);df=128.0nm樣品2表面層參量分布如下:nf=1.5255-0.0281exp(-0.0014z);kf=0.00059exp(-0.0004z);df=97.2nm樣品3表面層參量分布如下:nf=1.5236-0.0275exp(-0.0013z);kf=0.00043exp(-0.0004z);df=78.6nm由此可見,隨著清洗程序的不斷深入,玻璃表面層的厚度、消光系數(shù)明顯減小,膜層的折射率則更接近于體內(nèi)折射率。為了進一步驗證上述結(jié)果,首先考察玻璃樣品的表面形貌。利用AutoProbeCP多功能原子力顯微鏡拍攝了三種樣品的表面形貌并測量了樣品的表面粗糙度。圖2為三種樣品的三維形貌圖。顯然,未經(jīng)酸、堿洗的玻璃表面凹凸不平,存在著大量加工過程中遺留的尖銳的雜質(zhì)峰、微裂紋及結(jié)構(gòu)缺陷,因而表面粗糙度大,實驗測得的表面均方根粗糙度的平均值為0.4715nm;經(jīng)酸洗的玻璃,由于去除了表面雜質(zhì)及各種吸附污染物,表面粗糙度明顯降低,其數(shù)值減少至0.3165nm;通過堿洗,可消除酸洗難以去除的油脂類等形成的表面薄層,從而進一步降低了表面粗糙度,其數(shù)值為0.1645nm。可見,玻璃表面層厚度的減少與表面粗糙度的降低是一致的。其次是考察表面的抗激光損傷能力。表1列出了各樣品的0%損傷閾值及50%損傷閾值。0%損傷閾值即能夠使光學(xué)元件發(fā)生損傷的最小能量密度值;50%損傷閾值即不造成破壞的最大能量密度與造成破壞的最小能量密度值的平均值?？梢钥闯?經(jīng)過化學(xué)清洗的玻璃表面激光損傷閾值明顯增強,這是與其表面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。根據(jù)以上的表面形貌分析可知,酸處理的結(jié)果,使樣品表面變得光潔,結(jié)構(gòu)完整,降低了粗糙度,去除了雜質(zhì)及微裂紋,消除了產(chǎn)生破壞的隱患,因而提高了抗激光損傷的能力;堿處理則可去除表面的油脂,減小其對激光的吸收,表面層厚度的減小,使玻璃表面激光損傷閾值進一步提高。玻璃表面層的消光系數(shù)的變化,與表面粗糙度、損傷閾值的變化也是一致的。未經(jīng)酸堿洗的玻璃表面粗糙度大,雜質(zhì)多,光散射與光吸收大,對應(yīng)的消光系數(shù)也高。通過酸堿處理,表面光潔度明顯提高,表面雜質(zhì)、油脂等各種吸附物明顯減少,大大降低了玻璃表面對光的吸收,消光系數(shù)也隨之減小。4化學(xué)清洗對玻璃表面光學(xué)特性的影響通過對經(jīng)不同化學(xué)清洗的K9平板玻璃基片表面的光學(xué)特性,如光學(xué)參量、表面粗糙度及激光損傷閾值的綜合測定,分析了化學(xué)清洗對玻璃表面光學(xué)特性的影響。實驗結(jié)果表明,經(jīng)酸洗的玻璃表面,與經(jīng)水洗的玻璃表面相比,其消光系數(shù)明顯減小,而光潔度和激光損傷閾值明顯提高;經(jīng)過進一步的堿洗,可使玻璃表面的光學(xué)性能得到進一步改善,消光系數(shù)繼續(xù)減小的同時,光潔度和激光損傷閾值得到相應(yīng)的提高。另外,利用p-偏振雙面反射法測