本發(fā)明涉及光學材料領域，具體涉及一種超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用。

背景技術：

紅外材料可以很好的透過中波紅外和長波紅外，因此其可以用來制備紅外窗口等光學元件，光學元件經常會處在摩擦或風沙等環(huán)境中，然而目前常用的紅外材料(常見的有Ge，Si等)的質地不夠堅硬，抗摩擦能力不強，且一般紅外材料的價格都很高，這樣由于元件磨損導致更換頻繁，造成了紅外材料的浪費和元件成本的增高，為了延長紅外光學元件的使用壽命，降低成本，提高硬度成為紅外材料發(fā)展的研究方向。

提高紅外材料的硬度的常用手段為鍍膜，類金剛石薄膜(Diamond-like Carbon,DLC)具有硬度高、抗摩擦磨損能力強的優(yōu)點，同時具有良好的光學透過性(中波紅外3～5μm,長波紅外8～12μm)、抗腐蝕等特性，是極少的能在紅外材料表面同時起到物理防護和紅外增透功能的薄膜。

目前，無定形類金剛石膜(a-C:H或a-C)成為紅外窗口表面最常用的類金剛石膜種類。目前，報道的紅外材料表面增透類金剛石薄膜的制備方法主要為PECVD法和離子束濺射法，這兩種方法制備的厚度達到紅外材料在中長紅外波段增透要求的類金剛石膜的硬度均在8-15GPa以內，使紅外窗口在抗重摩擦和高速風沙磨損方面受到極大限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用，本發(fā)明所提供的具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料可以在不影響無定形類金剛石膜紅外增透性能的前提下很好地提高紅外材料的表面硬度，從而提高其抗磨損能力，使其可以適應更加惡劣的環(huán)境，得到進一步推廣應用。

本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種超硬類金剛石增透膜，所述的增透膜包括無定型類金剛石膜層和四面體類金剛石膜層，所述的四面體類金剛石膜層為所述的增透膜的表層。

所述的四面體類金剛石膜層主要由磁過濾陰極弧法制備(Filtered Cathodic Vacuum Arc,FCVA)，還可采用激光法等方法制備。

進一步的，無定型類金剛石膜層的物理厚度為小于1000nm，四面體類金剛石膜層的物理厚度小于1000nm。

進一步的，無定型類金剛石膜層應力小于3GPa，納米硬度為10-20GPa；

四面體類金剛石膜層應力為4-12GPa，納米硬度20-95GPa。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料，包括紅外材料基底和沉積在所述的紅外材料基底上的增透膜，所述的增透膜為上述的增透膜。

第三方面，本發(fā)明實施例提供了一種具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)清除紅外材料基底表面的雜質；

(2)在所述的紅外材料基底表面鍍制無定型類金剛石膜層；

(3)在所述的無定型類金剛石膜表面鍍制四面體類金剛石膜層。

進一步的，所述的步驟(2)采用等離子增強化學氣相沉積法或離子束濺射法。

進一步的，所述的等離子增強化學氣相沉積法的功率為100-2000W。

進一步的，所述的步驟(3)采用磁過濾陰極真空弧法。

進一步的，所述的磁過濾陰極真空弧法的負偏壓為0-2000V。

進一步的，所述的紅外材料基底材質為Ge，Si，ZnS，ZnSe或硫系玻璃。

第四方面，本發(fā)明實施例提供了一種具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料的應用。

進一步的，將所述的具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料用于中波紅外或長波紅外透過窗口，所述的中波紅外波長為：3-5μm；長波紅外的波長為8-12μm。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用至少具有如下有益效果：

本發(fā)明方法在無定型類金剛石膜上增加一層四面體類金剛石膜，形成雙層膜，四面體類金剛石膜為外層膜，可以起到耐重摩擦、腐蝕等惡劣環(huán)境的作用；內層是無定型類金剛石膜，與外層膜組合可以很好地透過中波紅外和長波紅外，既滿足透過的要求，硬度也能達到要求(雙層超硬類金剛石增透膜硬度>40GPa)。

本發(fā)明的雙層類金剛石膜納米硬度高達53GPa，應力<3.5GPa，具有極強的抗重摩擦和高速風沙侵蝕的能力，美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗后薄膜表面沒有明顯變化。外層四面體類金剛石膜致密度高，具有極強的抗海水等化學因素長期腐蝕的能力。

紅外透射能力強，實驗證明在2mm厚Ge基體上單面鍍a-C:H/ta-C雙層類金剛石膜(兩種膜厚度相同時)的長波紅外波段(8～12μm)平均透過率>58％，最高透過率可達59.5％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用中具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料結構示意圖；

圖2為本發(fā)明超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用中透過率測試曲線圖；

圖3為本發(fā)明超硬類金剛石增透膜、具有增透膜的紅外材料及其制備方法和應用中納米硬度對比圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，應當理解，具體實施例是為了方便本領域技術人員對本發(fā)明方案的理解，不作為對本發(fā)明保護范圍的限定。

圖1具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料的結構示意圖，如圖1所示，具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料包括紅外材料基底1，紅外材料基底1上依次層疊設置有無定型類金剛石膜層2和四面體類金剛石膜層3。

這里要說明的是，對于紅外材料基底1的材質和厚度沒有具體限定，一般常用的紅外材料材質為Ge，Si等；這里對于無定型類金剛石膜層2和四面體類金剛石膜層3的材質和厚度不做限定，根據(jù)要透過的波長及要達到的具體效果等因素，分析并計算所需要的膜的厚度。

實施例1

在Ge基體上鍍制a-C:H/ta-C雙層超硬類金剛石膜在8-12μm段增透，中心波長在9μm，若要兩種膜厚度相同，則根據(jù)a-C:H的折射率為2，ta-C的折射率為2.7，兩種膜的物理厚度為475nm，如圖1所示。

(1)將雙面拋光Φ50×2Ge基片用無塵布，滴入酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入PECVD設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa，調節(jié)射頻功率200-2000w，鍍制底層a-C:H膜，鍍制時間為10min。

(3)將鍍完a-C:H膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成45°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C:H膜上鍍制ta-C膜，鍍制55min。

(4)a-C:H/ta-C的透過率測試曲線如圖2所示，從圖2可以看出，在8-12μm波段平均透過率(T>58％)，最高透過率為(T＝59.5％)。a-C:H/ta-C雙層膜通過各種環(huán)境測試，特別是重摩擦測試后，表面無任何變化，表1為本實施例制備的具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料各種環(huán)境測試結果，如表1所示。

表1：

由表1可知，與現(xiàn)有的無定型類金剛石膜相比，本發(fā)明的雙層類金剛石膜可以通過重摩擦測試，而現(xiàn)有的無定型金剛石膜在經過重摩擦測試后會出現(xiàn)較明顯的劃痕。

a-C:H/ta-C雙層膜納米硬度為53GPa，圖3為本實施例制備的具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料的雙層類金剛石膜與現(xiàn)有的無定型類金剛石膜的納米硬度對比圖，如圖3所示，該雙層類金剛石膜的納米硬度是現(xiàn)有的無定型類金剛石膜的硬度的4倍左右。

實施例2

在Ge基體上鍍制a-C:H/ta-C雙層超硬類金剛石膜在8-12μm段增透，中心波長在9μm，則根據(jù)膜系設計軟件Essential Macleod軟件設計，a-C:H的折射率為2，物理厚度為794nm，ta-C的折射率為2.7，物理厚度為213nm。

(1)將雙面拋光Φ60×2Ge基片用無塵布，滴入酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入PECVD設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa，調節(jié)射頻功率200-2000w，鍍制底層a-C:H膜，鍍制時間為18min,。

(3)將鍍完a-C:H膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成45°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C:H膜上鍍制ta-C膜，鍍制25min。

(4)a-C/ta-C雙層膜(單面鍍膜)在4um波長位置透過率為62％，納米硬度為46GPa,通過美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗。

實施例3

在Si基體上鍍制a-C:H/ta-C雙層超硬類金剛石膜在3-5μm段增透，中心波長在4μm，若要兩種膜厚度相同，a-C:H的折射率為2，物理厚度為212nm，ta-C的折射率為2.7，物理厚度為212nm。

(1)將雙面拋光Φ55×2Si基片用無塵布蘸酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入PECVD設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa，調節(jié)射頻功率200-2000w，鍍制底層a-C:H膜，鍍制時間為8.6min,。

(3)將鍍完a-C:H膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成55°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C:H膜上鍍制ta-C膜，鍍制9.4min。

(4)a-C:H/ta-C雙層膜(單面鍍膜)在4um波長位置透過率為72％，納米硬度為47GPa,通過美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗。

實施例4

在Si基體上鍍制a-C:H/ta-C雙層超硬類金剛石膜在3-5μm段增透，中心波長在4μm，則根據(jù)膜系設計軟件Essential Macleod軟件設計，a-C:H的折射率為2，物理厚度為371nm，ta-C的折射率為2.7，物理厚度為96nm。

(1)將雙面拋光Φ50×2Si基片用無塵布，滴入酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入PECVD設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa，調節(jié)射頻功率200-2000w，鍍制底層a-C:H膜，鍍制時間為8.6min,。

(3)將鍍完a-C:H膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成90°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C:H膜上鍍制ta-C膜，鍍制9.4min。

(4)a-C:H/ta-C雙層膜(單面鍍膜)在4um波長位置透過率為72％，納米硬度為41GPa,通過美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗。

實施例5

在Ge基體上鍍制a-C:H/ta-C雙層超硬類金剛石膜在3-5μm段增透，中心波長在4μm，則根據(jù)膜系設計軟件Essential Macleod軟件設計，a-C:H的折射率為2，物理厚度為212nm，ta-C的折射率為2.7，物理厚度為212nm。

(1)將雙面拋光Φ50×2Ge基片用無塵布，滴入酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入PECVD設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa，調節(jié)射頻功率200-2000w，鍍制底層a-C:H膜，鍍制時間為8.9min。

(3)將鍍完a-C:H膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成45°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C:H膜上鍍制ta-C膜，鍍制9.7min。

(4)a-C:H/ta-C雙層膜(單面鍍膜)在4um波長位置透過率為62％，納米硬度為45GPa,通過美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗。

實施例6

在Ge基體上鍍制a-C/ta-C雙層超硬類金剛石膜在3-5μm段增透，中心波長在4μm，則根據(jù)膜系設計軟件Essential Macleod軟件設計，a-C:H的折射率為2，物理厚度為212nm，ta-C的折射率為2.7，物理厚度為212nm。

(1)將雙面拋光Φ50×2Ge基片用無塵布，滴入酒精在強光照下擦拭干凈。

(2)將基片放入離子束濺射設備的下極板上，抽真空到3×10^-3Pa以下，調節(jié)離子流密度1～5mA/cm²，鍍制底層a-C膜，鍍制時間為23min。

(3)將鍍完a-C膜的基片放在FCVA設備的靶托上，使其和束流成45°角。調節(jié)偏壓，弧流大小，在a-C膜上鍍制ta-C膜，鍍制9.7min。

(4)a-C/ta-C雙層膜(單面鍍膜)在4um波長位置透過率為63％，納米硬度為42GPa,通過美軍標MIL-E-12397重摩擦實驗。

以上實施例制備的具有超硬類金剛石增透膜的紅外材料作為光學元件用于紅外透過，尤其是在中波紅外或長波紅外透過窗口，所述的中波紅外波長為：3-5μm；長波紅外的波長為8-12μm。

本發(fā)明申請未盡之處，本領域技術人員可以根據(jù)需要選擇現(xiàn)有技術完成，比如具體需要的雙層膜的厚度，具體以何種方法鍍制雙層膜，可以不僅限于本申請中所列舉的鍍制方法等等。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。