Оптическое покрытие на основе ITO пленок с осажденными углеродными нанотрубками Российский патент 2023 года по МПК G02B1/10 B82B3/00 

Настоящее изобретение относится к области оптических технологий, а именно к оптическому приборостроению, ракетной, космической, лазерной оптике, квантовой и оптической нано- и микроэлектронике.

Оптическое покрытие на основе углеродных нанотрубок также используется для дисплейной, телевизионной техники, биомедицины, где требуется высокое пропускание оптических покрытий и элементов в УФ, видимом и ИК-диапазоне спектра, хорошее оптическое качество, высокая механическая прочность, а также уменьшенная шероховатость поверхности.

Оптическое покрытие представляет собой тонкую пленку (60-100 нм) на основе оксидов индия и олова (ITO) с осажденными углеродными нанотрубками. Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой СО₂-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Оптический элемент состоит из покрытия на основе углеродных нанотрубок и подложки из проводящего материала ITO (гетероструктура окислов индия и олова In₂O₃-SnO₂), нанесенного на стекло Крон К8.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, автомобилестроения, ракетной и космической техники, где зачастую требуется работа на определенных рабочих длинах волн в области прозрачности атмосферы. Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструированию оптических элементов объективов и телескопов, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость; к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), где необходима высокая лазерная прочность и высокий контраст при записи-считывании оптической информации, преобразовании сигнала из одного частотного диапазона в другой, при переключении потоков излучения без существенных потерь, при ограничении излучения; изобретение относится к конструкции солнечных элементов, где прозрачность ITO-слоя имеет большое значение при активации кремниевого слоя или других эффективных донорно-акцепторных элементов, обеспечивающих высокий квантовый выход.

Оптическое покрытие является необходимым функциональным устройством лазерных, информационных, дисплейных, медицинских, биологических, химических и других композиционных систем, способных управлять потоками излучения разной интенсивности, с учетом процессов отражения, поглощения, интерференции, преломления световых пучков в реальном масштабе времени. Характеристики оптического покрытия определяются спектральными параметрами, адгезией к поверхности подложки, геометрическими размерами, рельефом поверхности, коэффициентами преломления, лазерной прочностью, др. аспектами, а также зависят от согласованного выбора типа подложки, на которую наносится покрытие, её показателя преломления, шероховатости поверхности подложки, др.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия (Патент RU 2661166, Способ создания прозрачных проводящих композитных нанопокрытий (варианты), опубл. 12.07.2018), где одностенные углеродные нанотрубки используются в качестве нижнего слоя, а пленки оксидов индия - в качестве верхнего. Для нанесения углеродных нанотрубок использовали химический спрей-метод. Для изготовления тонких пленок оксидов индия использовали реактивное магнетронное распыление на импульсном постоянном токе в атмосфере газовой смеси кислорода и аргона, где в качестве мишени использовался химически чистый индий (99,999%). Среди недостатков технического решения можно выделить, что при нанесении углеродных нанотрубок спрей-методом нет возможности управлять их ориентацией при осаждении, а также при магнетронном распылении поверхность напыляемых пленок не является равномерной. В совокупности данные обстоятельства ограничивают высокую воспроизводимость оптоэлектронных и морфологических свойств в пределах апертуры образца.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия (H. Taha et al. A novel approach for fabricating transparent and conducting SWCNTs/ITO thin films for optoelectronic applications // J. Phys. Chem, 2018, V. 12, No. 5, pp. 3014-3027. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b10977), где одностенные углеродные нанотрубки осаждались на пленки оксидов индия и олова (ITO) методом центрифугирования. Отжиг пленок проводился при температуре 350°С. Рассматривались конструкции с разной толщиной пленок, которая варьировалась от 150 нм до 320 нм. К недостаткам представленной конструкции можно отнести ухудшение электрических свойств пленок на основе ITO с углеродными нанотрубками, поскольку концентрация носителей заряда уменьшается с 5,8⋅10²⁰ см^-3 (в случае чистого ITO) до 1,9-3,3⋅10²⁰ см^-3 после осаждения углеродных нанотрубок, что выражается в увеличении удельного электрического сопротивления с 3,6⋅10^-4 Ом⋅см до 4,6-11,0⋅10^-4 Ом⋅см.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия, выбранная в качестве прототипа (Патент KR20130081374, TiO₂/ITO/Single-wall carbon nanotube composites and preparation method thereof., опубл. 17.07.2013), где методом осаждения кластеров последовательно наносились пленки оксидов индия и олова (ITO) с толщиной 100-200 нм и одностенные углеродные нанотрубки. Время осаждения варьировалось от 15 до 60 минут. К недостаткам прототипа следует относительно низкое оптическое пропускание, которое для образцов ITO с углеродными нанотрубками не превышает 80% в диапазоне длин волн 300-900 нм, а также значительную неоднородность поверхности образцов.

Техническим результатом изобретения является улучшение светопропускания в УФ и видимой области спектра, повышение механической и лазерной прочности оптических покрытий и оптических элементов микро- и наноэлектроники.

Технический результат достигается тем, что оптическое покрытие на основе ITO пленок с осажденными углеродными нанотрубками содержит слой осажденных с использованием излучения СО₂-лазера углеродных нанотрубок на подложку из проводящего материала ITO, согласно изобретению, в оптическом покрытии сформирован один слой углеродных нанотрубок, при этом углеродные нанотрубки внедрены в поверхностный слой ITO пленки с возможностью нивелирования границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие.

В оптическом покрытии для повышения однородности и расширения спектральной области функционирования наносимого слоя используется нивелирование границы раздела сред: твердая подложка-покрытие, то есть на границе углеродных нанотрубок с поверхностью ITO образуется область, оптические свойства которой отличаются от свойств контактирующих материалов. Процесс нивелирования границы раздела фаз обуславливается встраиванием трудноразрушимых алмазаподобных C-C связей углеродных нанотрубок в поверхностные слои ITO. Строгое встраивание углеродных нанотрубок в ITO обеспечивается их выравниванием в электрическом поле. Такой эффект удается реализовать при лазерно-ориентированном осаждении углеродных нанотрубок на поверхность ITO при воздействии электрического поля с напряженностью 600 В/см.

Описание фигур

Фиг. 1. Способ привязки углеродной нанотрубки к поверхности ITO, осажденного на стекло Крон К8.

Обозначения:

1 - подложка Крон К8

2 - пленка ITO

3 - углеродные нанотрубки

4 - атомы углерода

5 - атомы индия

6 - атомы олова

7 - атомы кислорода.

Фиг. 2. Спектр пропускания оптического покрытия в УФ-видимой области спектра при условии, что покрытие наносилось на материал подложки из стекла Крон К8.

Обозначения:

1 - спектр пропускания подложки Крон К8

2 - спектр пропускания пленок оксидов индия и олова на подложке Крон К8

3 - спектр пропускания пленок оксидов индия и олова с осажденными углеродными нанотрубками на подложке Крон К8.

Фиг. 3. Изображение поверхности, полученное на АСМ.

Подробное описание изобретения

Предлагаемое оптическое покрытие представляет собой систему, состоящую из одного слоя наносимых углеродных нанотрубок толщиной 60-100 нм, напыляемых в вакууме при использовании лазерного излучения и при ориентировании углеродных нанотрубок в электрическом поле 600 В/см, и подложки из проводящего материала ITO, нанесенного на стекло Крон К8.

Напыление углеродных нанотрубок проводилось в вакууме на холодные или нагретые до температуры менее 80°С подложки при использовании осаждения материала покрытия из углеродных нанотрубок излучением лазера. Источником излучения служил квази-непрерывный щелевой СО₂-лазер с р-поляризованным излучением на длине волны 10,6 мкм, с мощностью 30 Вт. Для более равномерного распределения, упорядочения, то есть вертикального ориентирования углеродных нанотрубок, прикладывалось электрическое поле напряженностью 600 В/см.

Измерение спектральных характеристик покрытия проводилось с использованием спектрофотометра СФ-26 в диапазоне 250-1200 нм. Образцы, то есть чистая подложка (стекло Крон К8 c осажденным ITO) и подложка, обработанная по разрабатываемой технологии углеродными нанотрубками, ставились в оправу и измерения пропускания проводились одновременно для каждой длины волны. Получены характерные селективные пики пропускания исследуемых материалов в диапазоне 500-800 нм, что регистрируется уже при односторонней обработке подложки.

Контроль рельефа поверхности осуществлялся электронным микроскопом РОЛАМ Р312, а также рельеф тщательно исследовался микроскопом Solver Next.

Механическая прочность (микротвердость) была исследована на приборе PMT-3M при нагрузке на индентор 2 г.

При осуществлении данного изобретения механическая прочность (микротвердость) подложки с новым покрытием увеличилась в 1,5 раз при нагрузке (индентер) 2 г. Электрическое сопротивление слоя ITO при вертикальном осаждении углеродных нанотрубок уменьшилось в 2,5-3 раза.

Заявляемое изобретение поясняется примером.

Были проведены испытания оптического покрытия, согласно изобретению, и оптического покрытия, описанного в прототипе.

Испытания проводились при следующих условиях: при температуре 20°С (комнатная температура) и давлении 101.325 кПа (нормальное атмосферное давление).

При проведении испытаний использовался метод спектрофотометрии. Для испытаний использовался спектрофотометр СФ-26.

По результатам сравнивались спектры пропускания структур ITO, описанных в настоящем изобретении и в прототипе.

При сравнении спектральных зависимостей показателя пропускания разработанных покрытий и прототипа можно заметить, что в спектральной области 300-400 нм оптическое пропускание прототипа меньше 50%, в то время как у разработанных покрытий в данном диапазоне оптическое пропускание доходит до уровня 75%. В диапазоне 400-500 нм пропускание разработанных покрытий в среднем на 5% выше, чем у прототипа. В диапазоне 500-600 нм пропускание прототипа не превышает 80%, в то время как у разработанного покрытия оно лежит в диапазоне 85-90%. В области 600-900 нм пропускание прототипа не превышает 80%, в то время как у разработанного покрытия оно постепенно уменьшается с 90% до 80%.

Полученное преимущество в показателе пропускания разработанных покрытий можно связать с тем, что лазерно-осажденные углеродные нанотрубки выступают в качестве просветляющего покрытия, следовательно, снижают потери на отражение.

Использование в качестве оптического покрытия монослой из углеродных нанотрубок, наносимых в вакууме на поверхность ITO с помощью излучения квази-непрерывного СО₂-лазера, ориентированных в процессе напыления электрическим полем напряженностью 600 В/см, позволило существенно увеличить однородность покрытия, снизив размер неоднородностей с микро- до наноразмеров, позволило в 2 раза уменьшить шероховатость поверхности и в 2,5-3 раза уменьшить электрическое сопротивление проводящего слоя, а также существенно расширить спектральный диапазон функционирования оптического элемента, осуществив работу в широкой области: УФ-видимая область спектра. Кроме того, напыление нанотрубок на подложки с температурой подогрева менее 80°С предполагает нанесение покрытия не только на твердотельные материалы, но и на пластические композиции, например органическое стекло, различные полимерные композиции, а также полимер-диспергированные жидкокристаллические системы. Улучшенная однородность покрытия, его высокая механическая прочность, повышенное светопропускание в широкой области спектра, пониженное сопротивление проводящего слоя, что является необходимыми условиями применения в оптоэлектронике, телекоммуникационных системах, а также в солнечной энергетике, лазерной, дисплейной, медицинской технике, расширить спектральный диапазон с УФ-области до видимого диапазона. Указанное функциональное совершенствование оптического покрытия и устройств на его основе позволит существенно расширить область применения нового покрытия для солнечных элементов, линз, призм телескопов, делительных пластин; пригодно для использования в пространственно-временных модуляторах света с пониженным уровнем управляющего напряжения питания, полезно для переключателей излучения и аналогов дисплейных элементов, а также эффективно при использовании в бытовых устройствах, например при работе не только с твердотельными, но и с гибкими материалами и устройствами (например, линзы очков человека и др.), где требуется дополнительное создание защитного слоя от царапин, трещин, др. дефектов, то есть, должен обеспечиваться комфорт наблюдения.

Настоящее изобретение относится к области оптических технологий, а именно к оптическому приборостроению, ракетной, космической, лазерной оптике, квантовой и оптической нано- и микроэлектронике. Оптическое покрытие на основе ITO пленок с осажденными углеродными нанотрубками содержит слой осажденных с использованием излучения СО₂-лазера углеродных нанотрубок на подложку из проводящего материала ITO. В оптическом покрытии сформирован один слой углеродных нанотрубок, при этом углеродные нанотрубки внедрены в поверхностный слой ITO пленки с возможностью нивелирования границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие. Техническим результатом изобретения является улучшение светопропускания в УФ и видимой области спектра, повышение механической и лазерной прочности оптических покрытий и оптических элементов микро- и наноэлектроники. 3 ил.

Оптическое покрытие на основе ITO пленок с осажденными углеродными нанотрубками содержит слой осажденных с использованием излучения СО₂-лазера углеродных нанотрубок на подложку из проводящего материала ITO, отличающееся тем, что в оптическом покрытии сформирован один слой углеродных нанотрубок, при этом углеродные нанотрубки внедрены в поверхностный слой ITO пленки с возможностью нивелирования границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие.