低輻射玻璃膜層材料光學(xué)常數(shù)的提取

【中玻網(wǎng)】采用磁控濺射法生產(chǎn)離線低輻射（Low-E）鍍膜玻璃，產(chǎn)品質(zhì)量依賴(lài)于膜層結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的調(diào)整。單銀Low-E膜系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，膜層材料少，工藝人員憑借長(zhǎng)期總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，不需要依賴(lài)軟件模擬就可以調(diào)試出光學(xué)性能符合要求的產(chǎn)品。隨著人們節(jié)能意識(shí)和節(jié)能要求的提升，雙銀甚至三銀Low-E開(kāi)始逐步取代單銀成為新一代中、高等建筑幕墻使用的節(jié)能玻璃產(chǎn)品。但雙銀和三銀產(chǎn)品的膜系復(fù)雜，并且還伴隨有膜層不均勻、大角度色差等問(wèn)題，調(diào)試過(guò)程不能單靠經(jīng)驗(yàn)，需要借助于軟件模擬對(duì)膜層結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)調(diào)試提供指導(dǎo)，而軟件模擬的前提是建立準(zhǔn)確的材料光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著材料科學(xué)和真空濺射等技術(shù)的發(fā)展，不僅對(duì)于雙銀和三銀Low-E產(chǎn)品，更對(duì)于其他一些高附加值的特殊光學(xué)薄膜而言，準(zhǔn)確提取膜層材料的光學(xué)常數(shù)都將起著關(guān)鍵性的作用。

　　提取光學(xué)常數(shù)的方法原理

　　光學(xué)常數(shù)的測(cè)量和提取方法有很多種[1]，如光切法、波導(dǎo)法、光譜法、橢圓偏振法等。其中光譜擬合法能同時(shí)得出薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)，再加上該方法對(duì)膜層的非破壞性，因此成為薄膜光學(xué)常數(shù)提取的主要方法。本文即是采用這種方法對(duì)低輻射玻璃膜層所用介質(zhì)材料SixNy和ZnAlOx的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行提取。

　　光譜法的理論基礎(chǔ)是薄膜干涉。當(dāng)光束照射到平行平面薄膜上時(shí)，在薄膜的上下表面發(fā)生多次反射[2]，因而產(chǎn)生一組反射光束和一組透射光束，如圖1所示。這些光束形成干涉效應(yīng)，終影響薄膜的反射率和透射率。不同薄膜材料的特性不同，反射率和透射率值的大小不同。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)并結(jié)合麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，可得到反射率和透射率與入射角、波長(zhǎng)、膜厚、折射率之間的關(guān)系式。式1所示即為單層薄膜反射率的函數(shù)關(guān)系式，其中no、n和ng分別為入射介質(zhì)、膜層和基片折射率。由該式可看出，在設(shè)定波長(zhǎng)范圍，固定入射角的條件下，反射率和透射率與薄膜的厚度（d）和光學(xué)常數(shù)（n）有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就是光譜法提取光學(xué)常數(shù)的原理，該方法同時(shí)也可以得到薄膜的厚度。

　　另外，準(zhǔn)確計(jì)算反射率和透射率，還要考慮色散現(xiàn)象。即材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。這與不同材料的晶體結(jié)構(gòu)、能態(tài)結(jié)構(gòu)等相關(guān)[3]。光學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者結(jié)合電磁學(xué)理論、經(jīng)典物理學(xué)的偶較震蕩理論、材料本身的電子躍遷及量子理論，總結(jié)并改進(jìn)得到了許多模型[4-6]來(lái)描述不同類(lèi)型材料的色散現(xiàn)象。例如Lorentz oscillator模型，Interband transitions模型，Drude模型等。

　　本文使用code薄膜設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)軟件自身所帶的材料模型種類(lèi)以及SixNy和ZnAlOx的光學(xué)特性，在380～2500nm范圍內(nèi)，均為其選擇Dieletric Background+Kim Oscillator+OJL Interband Transition的模型組合。在完成構(gòu)建材料模型和膜系結(jié)構(gòu)之后，以實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行光譜擬合，從而提取光學(xué)常數(shù)和膜厚，通過(guò)比較擬合膜厚值與實(shí)測(cè)膜厚值來(lái)驗(yàn)證所提取光學(xué)常數(shù)的準(zhǔn)確性。

　　樣片制備

　　樣片制備在沙河某條北玻SE2540磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線上完成。玻璃基片均采用南玻6mm白玻。使用1000mm×2440mm的半大片鍍膜，然后裁去邊緣，取中間部分裁成100mm×100mm小樣片以便實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。為了使后續(xù)的擬合效果更加準(zhǔn)確，單層膜的厚度鍍制得比較厚，約為200～400nm。為了達(dá)到此厚度范圍，濺射時(shí)設(shè)置較低的工藝走速，且多靶同開(kāi)，往復(fù)多次鍍膜。