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透红外材料 制作者：范晓正 冯志强 曹卫红 张 博 透红外材料 一、透红外材料的介绍 二、透红外材料的分类 三、透红外材料的制备 四、透红外材料的应用 一、透红外材料的介绍 透红外材料始指对红外线透过率高的材料，对这些材料的要求，首先是红外光谱透过率要高，短短波限要低，透过频带要宽，一般红外波段是0.7-20um。透过率定义与可见光透过率相同，一般要求在50%以上，同时要求透过率的频率范围要宽。对透红外材料的发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目标特征，特别是军用系统易暴露。 这些材料还要求温度的稳定性要好，对水、气体稳定。 二、透红外材料的分类 早期使用的是天然晶体如岩盐、水晶灯。后来随着红外技术的发展，要求有更高质量的透红外材料，目前已有单晶多晶、玻璃、陶瓷、塑料、金刚石和类金刚石等许多品种。 单晶体主要有锗、硅半导体作为红外光学材料。硅在力学性能和抗热冲击性上比锗要好得多，温度影响也小，但硅的折射率高，使用时需要镀增增透膜，以减少反射损失。另一类单晶体是离子晶体——碱或碱土金属卤化物。 红外光学玻璃主要有以下几种：硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫属化合物玻璃。 氧化铝透明陶瓷不只是透过近红外，而且还可以透过可见光。稀有金属氧化物陶瓷是一类耐高温的红外光学材料，其中的代表是氧化钇透明陶瓷。 塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材料，故多被用于远红外。 1.透红外晶体材料 2.玻璃材料 3.热压多晶材料 4.红外透明陶瓷 5. 透红外塑料 6.金刚石和类金刚石膜 三、透红外材料的制备 （一）金刚石膜 金刚石是一种很受欢迎的红外透波材料，自被发现以来，气优异的物理化学性能就吸引了全世界的目光，但由于天然金刚石的尺寸和形状不能达到在光学方面的应用，因此早期研究一直局限在其力学性能等方面。这是由于在晶体材料中金刚石是唯一一种在7—15um综合透光性、导热性、强度、硬度、耐蚀性都比较理想的红外透波材料适合高温和恶劣环境使用。 CVD金刚石膜相对其他红外材料具有十分优异的物理性质，出了大约在3-5um位置存在微小吸收峰外（由声子震动引起），从紫外（0.22um）到远红外（毫米波段）整个波段，CVD金刚石膜都具有高的透过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料。CVD金刚石膜的高透过率、高热导率、优良的力学性能、发光特性和化学惰性，使它可作为光学上的最佳应用材料。 （二）金刚石膜的制备 目前人们多采用低压气相沉积法制备金刚石膜，低压气相法明显具有设备简单、能直接在金刚石火非金刚石基体上生长金刚石膜等多种优点。 低压气相合成金刚石技术可以分为下面三种类型：（1）化学气相沉积（CVD） （2）物理气相沉积（PVD） （3）化学气相输运沉积（CVT） 根据激发方式的不同，CVD技术主要分为热丝化学气相沉积、等离子体化学沉积、燃烧火焰化学气相沉积等制备方法。 3.2.1 热丝化学气相沉积法 热丝化学气相沉积法（HFCVD)，也称热解化学气相沉积。在由石英管或类似容器构成的真空反应室上部水平安装以难熔金属材料如钨、钼等制成的灯丝，并用直流或交流电源将灯丝加热到2000℃以上；把用于沉积金刚石的基片置于热丝下方10mm左右处，其温度控制在600-1100℃范围内；向真空室中充入CH4等含碳气体和H2，并保证混合气体通过热丝流向基片表面，混合的反应气体的压强控制在101-104帕范围之内，这样在灯丝的高温作用下 气体将分解离化，产生出含碳基因的原子氢等，他们的相互作用将促使构成金刚石的C-C sp3杂化键形成从而在基片表面沉积出金刚石或金刚石膜。 HFCVD沉积系统的结构特点是装置简单，操作方便，工艺特点是金刚石的生长速率较快，沉积参数范围较宽，要求不严格，能获得质量较高、面积较大的金刚石膜，便于实现工艺画生产，因此HFCVD法师目前应用较多的一种方法。但对光学、电子应用的金刚石膜的制备不合适。 3.2.2 等离子体化学气相沉积法 等离子体化学气相沉积法的基本原理是利用气体放电使反应气体等离子化，分解出C、CH、CH2和CH3等多种含碳性基团及原子氢，从而在基片表面沉积出金刚石膜。根据放电方式的不同，这类技术又分为直流等离子体CVD、直流等离子体喷射CVD、高频等离子体CVD、微波等离子体CVD、电子回旋共振等离子体CVD和激光等离子体CVD法等。 3.2.3 燃烧火焰化学气相沉积法 燃烧是氧化还原反应，在谈情化合物气体预先混入适当的氧气，燃烧时