Трехслойное тонкопленочное покрытие, широкополосно резонансно поглощающее инфракрасное излучение и обладающее высокой тепловой чувствительностью

Изобретение относится к инфракрасной оптоэлектронной технике и предназначено для избирательного поглощения и регистрации теплового излучения. Поглотитель теплового электромагнитного излучения представляет собой трехслойную плоскопараллельную тонкопленочную структуру полуметалл (полупроводник) - диэлектрик - металл. Толщина третьего слоя должна быть достаточной, чтобы практически полностью отразить излучение. Толщины первого и второго слоя подобраны так, чтобы удовлетворять условию самого низкочастотного резонанса поглощения, при котором у волны, отраженной от первой границы структуры, и у волны, прошедшей сквозь структуру, отраженной и вышедшей обратно, фазы сдвинуты на 180°, причем из пар толщин, удовлетворяющих первому условию, должна быть выбрана единственная пара, для которой не только фазы этих волн противоположны, но и амплитуды равны, при этом резонансное отражение равно нулю, а материалы первого и второго слоев структуры должны быть выбраны так, чтобы при нулевом отражении толщина первого слоя была как можно меньшей, обеспечивая максимальную ширину полосы поглощения для данной пары материалов. Технический результат - повышение эффективности приема теплового излучения посредством поглотителя, оптимизированного как по частоте, так и по частотной полосе. 1 табл., 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к инфракрасной оптоэлектронной и оптической технике и предназначено для функционирования в качестве рабочего элемента болометрических приемников и резистивных тепловых излучателей, поглотителей и спектральных фильтров излучения, систем цветного инфракрасного тепловидения.

Уровень техники

В видимом и ИК-диапазонах излучения известны широкополосные высокоэффективные поглощающие покрытия. Обычно это разные виды сажи или черни из проводящих химически инертных материалов (углерода, платины, золота и т.д.). Это мелкодисперсные пористые структуры со слабо связанными элементами, легко подверженные механическому разрушению. Оптические характеристики структур далеки от идеальных. Они не обладают спектральной избирательностью. Отличие их коэффициента поглощения от 1 порядка 0.1. Электронные характеристики материалов слабо зависят от температуры, вследствие чего в болометрах такие поглощающие покрытия используют только в качестве нагревательных элементов к другим - термочувствительным элементам. Покрытия обладают значительной толщиной и соответственно теплоемкостью, что снижает и чувствительность, и быстродействие приемников излучения.

С другой стороны, широко известны резонансные оптические пленочные структуры, в которых используют интерференцию электромагнитных волн, отраженных от разных слоев. Примером интерференционных устройств могут служить просветляющие покрытия или ультрафиолетовые фильтры. Обычно эффективность интерференционных устройств высока, когда частотная ширина диапазона много меньше резонансной частоты. Однако в далеком инфракрасном диапазоне, прежде всего, речь идет о работе с естественным тепловым излучением, имеющим широкий частотный диапазон.

Раскрытие изобретения

Целью этого технического решения является построение широкополосных резонансных пленочных поглотителей, оптимизированных как по частоте, так и по частотной полосе для максимально эффективного приема естественного теплового излучения.

Указанная цель достигается тем, что поглотитель формируют из трех слоев разных материалов, обладающих необходимыми оптическими показателями, причем каждой резонансной частоте поглощения строго соответствует пара толщин верхних слоев. Изобретение поясняется чертежом (рис. 1), на котором показаны потоки излучения в трехслойной структуре.

Третьим, самым глубоким слоем структуры может служить любой достаточно хорошо проводящий металл или сплав, обладающий высоким (больше 98%) отражением в ИК-диапазоне. Слой предназначен для того, чтобы не пропустить и зеркально отразить излучение. В случае наиболее хорошо проводящих металлов - алюминия, меди, золота или серебра - для этого достаточно слоя толщиной 300 ангстрем. Если основой для поглотителя служит подходящий металл или сплав, то необходимость формирования третьего слоя отпадает. Достаточно добавить два верхних слоя структуры.

Верхний слой структуры определяет ее резонансные свойства. Согласно изложенному далее принципу построения для эффективного резонансного поглощения излучения в структуре необходимо, чтобы коэффициент отражения от полупространства, занятого материалом верхнего слоя, R_∞≈(n₁-1)²/(n₁+1)² [1] был больше 1/2. В то же время для получения резонанса с малой добротностью необходимо, чтобы R_∞ не был близок к 1. Близким к оптимуму должен быть материал с показателем преломления - n₁~10 и показателем поглощения - k₁~1. По этим параметрам в качестве первого слоя структуры должен быть выбран полуметалл или полупроводник.

Следует отметить, что выбор материалов для верхнего слоя очень невелик. Большинство доступных материалов, обладающих достаточно высоким поглощением, обладают одновременно и высоким преломлением (это характерно для материалов с высокой проводимостью). В структурах с такими материалами верхнего слоя добротность резонансного поглощения будет слишком большой, а ширина полосы слишком малой по сравнению с полосой естественного теплового излучения. Поэтому в дальнейшем изложении основное внимание уделено построению структур с наибольшей шириной полосы поглощения. Однако нетрудно заметить, что при необходимости не расширить, а сузить полосу поглощения потребуется не соблюдение, а наоборот, ослабление выдвигаемых условий.

Второй слой обеспечивает необходимый для резонанса набег фазы волны и одновременно достаточное поглощение излучения в структуре. Для этого материал второго слоя должен иметь невысокий показатель преломления - n₂~1÷2, но в то же время малый по сравнению с первым материалом, но значительный показатель поглощения - k₂~0.01÷0.05. Согласно этим оценкам в качестве второго слоя должен быть взят изолятор. Выбор подходящих для этого материалов, наоборот, весьма широк. Поэтому легче подбирать подходящий материал второго слоя к уже выбранному материалу первого.

Принцип построения трехслойной структуры, обладающей практически полным низкодобротным поглощением, состоит в следующем. Резонанс поглощения соответствует тому, что волна, прошедшая сквозь структуру, отраженная от зеркала и возвратившаяся назад, попадает точно в противофазе с волной, отраженной от первой границы структуры. Нулевое резонансное отражение и полное поглощение происходит, когда амплитуды этих волн одинаковы. При определенной частоте излучения резонансу соответствует набор толщин структуры, для которых набег фазы волны отличается на число, кратное 2π. Однако наименьшую добротность резонанса (при прочих равных условиях) имеет структура с наименьшей толщиной. (Соответственно для заданной поглощающей структуры наименьшую добротность имеет самый низкочастотный первый резонанс.) Далее для простоты изложения резонансом будем называть резонанс только такого типа. Есть максимальная толщина верхнего слоя, соответствующая резонансу поглощения при заданной частоте. Если толщина верхнего слоя меньше, то ей соответствует единственная толщина второго слоя, обеспечивающая недостающий набег фазы и условия резонанса. Каждой частоте излучения соответствует ряд меняющихся непрерывно пар толщин двух верхних слоев, обеспечивающих резонанс поглощения. Материалы слоев поглощающей структуры должны быть подобраны так, чтобы один из них (верхнего слоя) обладал высоким, а другой - низким поглощением. Увеличение толщины одного и одновременное уменьшение толщины другого, чтобы сохранялось условие резонанса, дает возможность в широких пределах менять поглощение в структуре и найти единственную пару толщин, удовлетворяющую условию нулевого отражения. Более детальный анализ свойств структуры показывает, что фаза прошедшей сквозь структуру волны (в зависимости от частоты излучения) вблизи резонанса растет медленнее всего, когда толщина первого слоя минимальна, а толщина второго - максимальна. Поэтому чем меньше толщина верхнего слоя, тем ниже добротность и соответственно шире полоса поглощения. В соответствии с этим для второго слоя структуры должен быть выбран материал, обладающий нужным поглощением. Наконец, если для выбранного материала верхнего слоя полоса поглощения все равно не получилась достаточно широкой, то вместо него нужно выбрать материал с меньшим R_∞, a затем по той же процедуре подобрать толщину и материал второго слоя.

Согласно этому принципу свойства образцов могут быть оптимизированы одновременно по эффективности, по частоте и по частотной полосе для максимально полного поглощения спектрально распределенного инфракрасного излучения, в частности - для естественного теплового излучения заданной температуры.

Благодаря второму слою материал первого слоя электрически изолирован от других частей структуры. Это позволяет использовать резкую зависимость его проводимости от температуры для чувствительной регистрации поглощаемой мощности.

Осуществление изобретения

В качестве материала верхнего слоя опытных образцов структур выбран висмут. Определяющим выбор фактором стали соответствующие поставленной задаче оптические показатели висмута в ИК-диапазоне: показатель преломления не слишком велик и не слишком мал [2], чтобы в структуре был именно низкодобротный резонанс поглощения; показатель поглощения не слишком велик и не слишком мал, чтобы обеспечить необходимое полное поглощение в структуре.

Другие факторы, обусловившие выбор висмута, - его химическая инертность, технологичность получения пленок заданной толщины [2] и, конечно, резкая зависимость проводимости от температуры (рис. 2), которая дает возможность непосредственно использовать верхний слой структуры для регистрации поглощаемой мощности.

Висмут - полуметалл с концентрацией носителей заряда при комнатной температуре около 10¹⁸ см^-3 [2]. Соответственно если доля примесей не превышает 10^-4, то их влияние на свойства материала несущественно. Поэтому для опытных образцов был использован химически чистый висмут с массовой долей примесей не более 10^-5.

Кроме этого известно, что добавление в висмут некоторого количества сурьмы уменьшает количество носителей заряда. Соответственно падает проводимость и уменьшаются показатели преломления и поглощения материала, что делает его еще более приемлемым для построения необходимых нам структур. Вдобавок становится более резкой зависимость проводимости материала от температуры. Оптимальным считается состав, в котором около 13% сурьмы [2], который и был использован для построения опытных образцов.

Кристаллические структуры висмута и сурьмы почти одинаковы. Атомы висмута и сурьмы в них полностью взаимозаменяемы. Смеси образуют кристаллические твердые растворы с любой долей составляющих. Давления насыщенных паров висмута и сурьмы [3] при температуре распыления близки, поэтому состав композита при термическом напылении остается неизменным.

Для второго слоя образцов были взяты два подходящих по показателям [3] технологически наиболее значимых материала - диоксид кремния SiO₂ и фторид магния MgF₂. Оба вещества химически исключительно инертны, нерастворимы в воде и являются основой стекол, широко используемых в оптике. Пленки из фтористого магния были сформированы простым термическим распылением с вольфрамовой лодочки. Для предотвращения кристаллизации и для лучшей адгезии к поверхности к фтористому магнию был добавлен фтористый литий (LiF), массовая доля которого составила 20%. Для получения пленок из диоксида кремния на поверхность был термически нанесен оксид кремния SiO, который затем при высокой температуре во влажной кислородной среде был окислен до SiO₂. Для предотвращения окисления металлической (титановой) пленки перед нанесением SiO на поверхность был нанесен тонкий защитный слой нитрида кремния Si₃N₄.

Образцы были выполнены методом вакуумного напыления на подложку из зеркально-полированного монокристаллического кремния. На всех стадиях напыления (каждого из слоев структуры) образцы оставались зеркально-гладкими. Этот факт с полной достоверностью говорит о том, что рассеяние излучения в структуре практически равно нулю, а сумма коэффициентов отражения и поглощения равна единице А+R=1.

Измеренные на ИК-спетрометре Shimadzu IR460 спектры отражения образцов с разными толщинами первого и второго слоя структуры представлены на рис. 3, 4. Толщина получаемого слоя пропорциональна массе распыляемого материала. Нормировочные измерения коэффициента пропорциональности выполнены на лазерном эллипсометре ЛЭФ-3М-1.

Результаты измерений показывают, что при правильном выборе пар толщин первого и второго слоя структуры резонансное поглощение действительно достигает экстремально близких к 1 значений и велико в достаточно широком частотном диапазоне.

В таблице 1 приведены следующие параметры спектров образцов 1-5, представленных на рис. 3, и 1-3, представленных на рис. 4, 5:

1. f_н - нижняя частота поглощения, при которой коэффициент поглощения превосходит 1/2;

2. f_max - частота максимального поглощения;

3. f_в - верхняя частота поглощения, при которой коэффициент поглощения становится меньше 1/2;

4. Ω=f_max/(f_в-f_н) - добротность резонансного поглощения;

5. А_max - максимальный коэффициент поглощения мощности;

6. Т_Р - температура излучения, соответствующая поглощению образца;

7. I_Р - интегральный коэффициент поглощения образцом излучения черного тела с температурой T_P;

8. Т_D - температура излучения «разностного» спектра, соответствующая поглощению образца;

9. I_D - интегральный коэффициент поглощения образцом излучения «разностного» спектра с температурой Т_D.

Кроме этого, в таблице приведены параметры функции Планка спектральной плотности мощности излучения черного тела P(f,T₀) и «разностного» спектра теплового излучения D(f,T₀) при температуре Т₀=300 К. Объекты, которые не находятся в тепловом равновесии с окружающей средой, но имеют близкую температуру ΔТ/T₀<<1, видны в «разностном» спектре теплового излучения:

D(f,Т₀)=(P(f,Т₀+ΔT)-P(f,T₀-ΔT)/ΔT-f⁴/sh²(f/(2T₀)).

Таблица 1
Параметры спектров образцов трехслойных поглощающих структур
Параметр	P(f)	D(f)	1 (3)	2 (3)	3 (3)	4 (3)	5 (3)	1 (4)	2 (4)	3 (4)
fн, (см-1)	240	370	1320	860	800	700	450	860	710	610
fmax, (см-1)	590	790	1700	1180	1130	1030	730	1480	1160	940
fв, (см-1)	1130	1400	2320	1730	1700	1590	1090	2180	1590	1380
Ω	0.66	0.77	1.7	1.35	1.25	1.16	1.14	1.12	1.32	1.22
Amax, %	100	100	98.3	98.8	98.6	99.5	99.1	98.4	99.1	92.5
ТP, К	300	-	860	600	575	520	370	700	520	480
IP, %	73	-	47	51	53	56	57	58	56	54
ТD, К	-	300	630	435	415	375	265	510	400	330
ID, %	-	71	49	56	58	61	64	61	59	61

Образцы способны поглощать до двух третей мощности теплового излучения, поступающей от объекта. При этом толщина образцов структур всего 0.5÷1.5 мкм, а теплоемкость единицы площади структур - 1.0÷4.7 Дж/(К*м²).

Полученная малая добротность помещения автоматически гарантирует, что угол зрения образцов (φ~Ω^-1) достаточно велик. Материалы образцов такие, что панорама приема излучения аксиально-симметрична [2, 3].

Таким образом, экспериментально подтвержден приведенный в разделе "Раскрытие изобретения" теоретический принцип построения высокоэффективно широкополосно резонансно поглощающей плоскопараллельной трехслойной структуры. Представлены построенные согласно этому принципу и удовлетворяющие заявленной цели технического решения образцы структур.

Список литературы

1. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: ACT, 1988. - 440 с.

2. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты. М.: Атомиздат, 1979. - 264 с.

3. Физические величины. Справочник. Под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

Поглотитель теплового электромагнитного излучения, представляющий собой трехслойную плоскопараллельную тонкопленочную структуру полуметалл (полупроводник) - диэлектрик - металл, для которой толщина третьего слоя должна быть достаточной, чтобы практически полностью отразить излучение, а толщины первого и второго слоя подобраны так, чтобы, во-первых, удовлетворять условию самого низкочастотного резонанса поглощения, при котором у волны, отраженной от первой границы структуры, и у волны, прошедшей сквозь структуру, отраженной и вышедшей обратно, фазы сдвинуты на 180°; во-вторых, из пар толщин, удовлетворяющих первому условию, должна быть выбрана единственная пара, для которой не только фазы этих волн противоположны, но и амплитуды равны, при этом резонансное отражение равно нулю; в-третьих, материалы первого и второго слоев структуры должны быть выбраны так, чтобы при нулевом отражении толщина первого слоя была как можно меньшей, при этом будет достигнута максимальная ширина полосы поглощения для данной пары материалов; поглотитель имеет малую толщину и малую теплоемкость единицы площади; возможно формирование поглотителя с заданной спектральной избирательностью, с выбором в широких пределах резонансной частоты посредством подбора толщины слоев структуры, с очень близким к 1 поглощением при резонансной частоте; возможно применение слоев самой структуры для регистрации поглощаемой мощности.