Vật lý màng mỏng -Các loại màng quang học

Trường ĐHKH Tự Nhiên
Trường ĐHKH Tự Nhiên
Khoa Vật Lý
Khoa Vật Lý
GVHD: T.S LÊ VŨ TUẤN HÙNG
HV : LÊ NGUYỄN BẢO THƯ
Các loại màng quang học
Các loại màng quang học




LỊCH SỬ MÀNG QUANG
LỊCH SỬ MÀNG QUANG
GƯƠNG VENETIAN FRAUNHOFER A.FRESNEL




Năm 1899: Lý thuyết Fabry-Perot ra đời
Năm 1899: Lý thuyết Fabry-Perot ra đời
. Lý thuyết cơ bản này miêu tả sự
nhiễu của từng sóng cục bộ phản
xạ từ hai bề mặt quang học song
song, các lớp vật liệu điện môi
khác nhau được lắng đọng trên
một chuỗi xác định trên bề mặt
của thành phần quang học. Ít
nhất hai lớp vật liệu với chiết suất
khác nhau phải được chọn lựa để

điều chỉnh hàm truyền phổ của
lớp sắp xếp theo qui trình xác
định




2 2
1 1 2 1 2
2 2
1 2 1 1 2
2 cos(2 )
R
1 2 cos(2 )
s
r r r r
r r r r
δ
δ
+ +
=
+ +
1 1 1
1
2 cosn d
π θ
δ
λ
=
Hiệu quang lộ:

Độ phản xạ đế:




Độ dày D của lớp (tính theo QWOT)
Độ dày D của lớp (tính theo QWOT)
4
i i
i
Z
n d
D
λ
=
2
2
2 0 1
2
2 0 1
s
n n n
R
n n n
 
−
=
 
+
 

Với một lớp đơn dày 1 QWOT
Với một lớp đơn dày 1 QWOT
Với một lớp đơn dày 2 QWOT
Với một lớp đơn dày 2 QWOT
2
0 2
0 2
R
s
n n
n n
 
−
=
 ÷
+
 
QWOT: quarter – wave optical thickness
QWOT: quarter – wave optical thickness




Ma trận hình thức (matrix
Ma trận hình thức (matrix
formalism)
formalism)

Các yếu tố của ma trận đơn lớp
Các yếu tố của ma trận đơn lớp

M
M
i có thể thu được từ các
i có thể thu được từ các
điều kiện biên trong cấu trúc lớp liên quan đến cường độ
điều kiện biên trong cấu trúc lớp liên quan đến cường độ
điện trường (Ei-1) và từ trường (Hi-1) ở mặt trước và các
điện trường (Ei-1) và từ trường (Hi-1) ở mặt trước và các
giá trị cường độ trường (Ei và Hi) ở đằng sau của lớp:
giá trị cường độ trường (Ei và Hi) ở đằng sau của lớp:
1
1
cos sin
=
sin cos
i i
i
i i
i i
i
i
i
i i i
E E
H H
i
E
n
H
in

δ δ
δ δ
−
−
   
=
 ÷  ÷
   
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 ÷
 
M




MÀNG QUANG HỌC
MÀNG QUANG HỌC

Màng quang học gồm một hay nhiều lớp vật liệu
Màng quang học gồm một hay nhiều lớp vật liệu
mỏng phủ trên một thiết bị quang học như thấu
mỏng phủ trên một thiết bị quang học như thấu
kính hay gương, những thiết bị cho phép biến đổi
kính hay gương, những thiết bị cho phép biến đổi

đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua.
đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua.

Các loại màng quang học chính:
Các loại màng quang học chính:



Màng chống phản xạ
Màng chống phản xạ



Màng phản xạ cao
Màng phản xạ cao



Màng dẫn điện truyền qua
Màng dẫn điện truyền qua



Màng lọc ánh sáng
Màng lọc ánh sáng




MÀNG PHẢN XẠ CAO

MÀNG PHẢN XẠ CAO

Màng phản xạ cao (HR) là một màng hay hệ thống
Màng phản xạ cao (HR) là một màng hay hệ thống
màng phủ trên một bề mặt để làm tăng sự phản xạ
màng phủ trên một bề mặt để làm tăng sự phản xạ
toàn bộ của bề mặt đế.
toàn bộ của bề mặt đế.
Màng
phản xạ
Màng kim loại:
Màng điện môi
HR




Màng kim loại
Màng kim loại

Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh
Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh
sáng trong một hệ quang học, và được sử dụng trong
sáng trong một hệ quang học, và được sử dụng trong
hầu hết các hệ thống quang hiện nay, và là thiết bị làm
hầu hết các hệ thống quang hiện nay, và là thiết bị làm
biến đổi tính phản xạ kinh tế nhất.
biến đổi tính phản xạ kinh tế nhất.


Màng kim loại có thể được dùng trong một dải sáng
Màng kim loại có thể được dùng trong một dải sáng
rộng, nhưng có xu hướng dễ vỡ và khó làm sạch.
rộng, nhưng có xu hướng dễ vỡ và khó làm sạch.

Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các bề
Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các bề
mặt phản xạ cao là Nhôm (Al), Vàng (Au), Bạc (Ag).
mặt phản xạ cao là Nhôm (Al), Vàng (Au), Bạc (Ag).
HRHR




Metals
Average %
Reflectivity
Vis / IR
Regions of
high
Absorption
Comments
Aluminu
m
92 / 98 700-950nm
Sensitive deposition parameters
necessary to prevent
"Blueing" (scatter in visible).
Thin layer of Al

2
O
3
forms on
surface.
Gold 94 / 98 300-550nm
Adhesion issues with glass. Very
soft surface. Use Chrome as
binderlayer.
Silver 95 / 98 UV
Issues with tarnishing. Very soft
surface.
HRHR






Màng điện môi bao gồm các lớp mỏng làm bằng vật liệu
Màng điện môi bao gồm các lớp mỏng làm bằng vật liệu
điện môi có tính truyền qua, được phủ trên một bề mặt.
điện môi có tính truyền qua, được phủ trên một bề mặt.
Chức năng của chúng là tăng cường tính phản xạ của
Chức năng của chúng là tăng cường tính phản xạ của
bề mặt bằng cách lợi dụng sự giao thoa của tia phản xạ
bề mặt bằng cách lợi dụng sự giao thoa của tia phản xạ
từ nhiều bề mặt quang học.
từ nhiều bề mặt quang học.
Các vật liệu thường sử dụng là: SiO2, TiO2,

Al2O3 and Ta2O5, và hợp chất của Flour
như MgF2, LaF3 and AlF3
MÀNG ĐIỆN MÔI
MÀNG ĐIỆN MÔI


HR




MÀNG ĐIỆN MÔI
MÀNG ĐIỆN MÔI



Thiết kế phản xạ cao dựa trên
Thiết kế phản xạ cao dựa trên
các lớp chiết suất cao và thấp
các lớp chiết suất cao và thấp
xen kẽ nhau, n
xen kẽ nhau, n
H
H
và n
và n
L
L
, do đó
, do đó

một “vùng dừng” (hay khu vực
một “vùng dừng” (hay khu vực
phản xạ cao) được tạo ra xung
phản xạ cao) được tạo ra xung
quanh bước sóng mẫu . Kiểu
quanh bước sóng mẫu . Kiểu
thiết kế ở dạng cơ bản như
thiết kế ở dạng cơ bản như
sau:
sau:


HR
Môi trường /
Môi trường /
(HL)
(HL)
m
m
H
H
/ Đế
/ Đế


với: m là số cặp đa lớp
với: m là số cặp đa lớp

Thiết bị phản xạ cao có
Thiết bị phản xạ cao có
vùng dừng điều hòa ở vị trí
vùng dừng điều hòa ở vị trí
thứ nhất và các vùng dừng
thứ nhất và các vùng dừng
điều hòa ở các bước sóng
điều hòa ở các bước sóng
ngắn hơn. Ở giữa vùng
ngắn hơn. Ở giữa vùng
dừng điều hòa là một khu
dừng điều hòa là một khu
vực được biết như “vùng
vực được biết như “vùng
xuyên qua” nơi mà ánh
xuyên qua” nơi mà ánh
sáng truyền qua và không
sáng truyền qua và không
phản xạ lại.
phản xạ lại.


Đối với thiết kế cơ bản này
Đối với thiết kế cơ bản này
không có vùng dừng thứ
không có vùng dừng thứ
hai hay thứ tư.

hai hay thứ tư.
HR




HR
Công thức tính độ phản xạ:
Công thức tính số cặp lớp:




Ứng dụng
HR
Máy photocopy
Đèn xe
Kính viễn vọng
Kính trượt tuyết
Hệ thống laser
Đĩa CD




MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR)
MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR)
Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ
Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ
trên bề mặt.

trên bề mặt.
AR
Giả sử có thể điều khiển chính
Giả sử có thể điều khiển chính
xác độ dày lớp phủ là 1 QWOT).
xác độ dày lớp phủ là 1 QWOT).
Độ phản xạ là nhỏ nhất khi:
Độ phản xạ là nhỏ nhất khi:


với n1: chiết suất của lớp
với n1: chiết suất của lớp
mỏng, n0 và nS là chiết suất
mỏng, n0 và nS là chiết suất
của hai môi trường
của hai môi trường
1 0 S
n n n=




So sánh sự truyền ánh sáng trên bề mặt có phủ lớp chống
So sánh sự truyền ánh sáng trên bề mặt có phủ lớp chống
phản xạ và không phủ.
phản xạ và không phủ.
Phủ lớp chống phản xạ
Không phủ lớp chống phản xạ


Tiện ích: giá thành thấp, tính
Tiện ích: giá thành thấp, tính
lặp lại cao, dễ thực hiện.
lặp lại cao, dễ thực hiện.

Hạn chế: vùng hoạt động
Hạn chế: vùng hoạt động
hẹp, khó tìm thấy vật liệu
hẹp, khó tìm thấy vật liệu
chiết suất thấp bền.
chiết suất thấp bền.

Vật liệu màng là các chất
Vật liệu màng là các chất
điện môi chiết suất thấp :
điện môi chiết suất thấp :
MgF2, Na3AlF6, CaF2,
MgF2, Na3AlF6, CaF2,
LiF2…
LiF2…
Màng AR một lớp:
AR






Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu
Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu
hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất
hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất

Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.
Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.
MÀNG AR 2 LỚP (MÀNG V)
AR






Một trong những thiết kế ba lớp
Một trong những thiết kế ba lớp
thông dụng và đơn giản là QHQ
thông dụng và đơn giản là QHQ
hay Quarter Half-Quarter.Mẫu
hay Quarter Half-Quarter.Mẫu
QHQ như sau:
QHQ như sau:


Thủy tinh / M 2H L
Thủy tinh / M 2H L
•
M = 1 QWOT của vật liệu chiết
M = 1 QWOT của vật liệu chiết

suất trung bình (vd:Al2O3)
suất trung bình (vd:Al2O3)
•
2H= 2 QWOT hay HWOT của
2H= 2 QWOT hay HWOT của
một vật liệu chiết suất cao (vd:
một vật liệu chiết suất cao (vd:
ZrO2)
ZrO2)
•
L=1 QWOT của một vật liệu
L=1 QWOT của một vật liệu
chiết suất thấp (vd: MgF2 hay
chiết suất thấp (vd: MgF2 hay
SiO2), hình thức của một QHQ
SiO2), hình thức của một QHQ
M=Al2O3, H=ZrO2:
M=Al2O3, H=ZrO2:
MÀNG AR 3 LỚP
AR




Ứng dụng
Ứng dụng
AR
Thấu kính trong máy
ảnh, kính hiển vi, kính
viễn vọng, ống nhòm…

Kính đeo mắt
Đồng hồ
Thiết bị điện tử (Điện
thoại, PVD)




Màng dẫn truyền qua (Transparent
Màng dẫn truyền qua (Transparent
conductive coating –TC)
conductive coating –TC)

Màng dẫn truyền qua được sử dụng trong các ứng dụng
Màng dẫn truyền qua được sử dụng trong các ứng dụng
mà điều quan trọng là việc màng dẫn điện hoặc làm tan
mà điều quan trọng là việc màng dẫn điện hoặc làm tan
đi các điện tích tích tụ.
đi các điện tích tích tụ.

Có hai loại chính: Màng ITO
Có hai loại chính: Màng ITO


Màng TCO
Màng TCO
TC

Màng ITO ( Indium Tin Oxide )
- Màng có độ truyền qua cao ( 80% - 90% ).
-
Phản xạ mạnh đối với ánh sáng hồng ngoại ( ứng dụng phủ
lên bề mặt kính, cho phép ánh sáng truyền qua nhưng giữ lại
nhiệt bên trong hay bên ngoài tùy mục đích sử dụng ).
-
Độ dẫn điện tốt.
 ứng dụng rộng rãi trong trong lĩnh vực quang điện tử : LCD,
pin mặt trời, diod phát quang,…
TC




Màng ITO ( Indium Tin Oxide )
Tính chất quang của màng ITO tạo bằng pp phún xạ
Độ truyền phụ thuộc vào cấu trúc cũng như hình
thái bề mặt màng ( độ truyền qua giảm khi độ
dày màng tăng )
TC






Màng lọc (FILTER)
Màng lọc (FILTER)

Ưu điểm :
- Tính chất lọc tốt hơn, thiết bị quang phủ lớp lọc giao thoa ít mất
mát nhiệt hơn các màng lọc thông thường
Nhược điểm :
-
Giá thành cao
Là loại màng được sử dụng để lọc và cho những ánh sáng nhất
định đi qua.
Filter