Защитное покрытие для гигроскопичных оптических материалов на основе лазерно-осаждаемых углеродных нанотрубок для целей оптоэлектроники и медицинской техники

Изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие на основе углеродных нанотрубок с величиной неоднородностей на уровне нанометров. 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 гигроскопичной подложки. Подложки из KBr, NaCl, KCl используются для обеспечения функционировании данного оптического покрытия вплоть до средней ИК-области спектра. Покрытие способно функционировать в ИК-областях спектра. Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия. 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области оптических нанотехнологий, оптического приборостроения, ракетной, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, полезно для дисплейной, телевизионной и медицинской техники, где требуется высокое пропускание оптических элементов, в том числе в ИК-диапазоне спектра, хорошее оптическое качество, высокая механическая прочность, уменьшенная шероховатость поверхности. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие на основе углеродных нанотрубок (УНТ). 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 гигроскопичной подложки. Подложки из KBr, NaCl, KCl используются для обеспечения функционирования данного оптического покрытия в ИК-диапазоне спектра, что позволяет существенно расширить спектральную и энергетические области работы оптоэлектронных систем, а также проводить визуализацию и тестирование биообъектов (эритроцитов крови человека) в электромагнитных полях ИК-диапазона.

Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия. При функционировании данного оптического покрытия нивелируется граница раздела фаз: твердая подложка-покрытие, за счет ковалентной «привязки» покрытия к подложке и выравнивания показателей преломления покрытия и подложки, что приводит, в результате, к повышенной устойчивости элемента в целом во влажной атмосфере.

Изобретение относится к области ИК-спектроскопии, где требуется работа на определенных рабочих длинах волн в области прозрачности атмосферы. Изобретение относится к области оптического приборостроения, к конструированию оптических элементов светофильтров и защитных стекол, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость и влагостойкость, где требуется высокая адгезия защитного или светопропускающего покрытия к поверхности подложки для предотвращения царапин, микроскопических щелей, других дефектов, существенно изменяющих процессы прохождения светового излучения через указанные оптические элементы.

Оптическое покрытие является необходимым функциональным элементом спектральных и лазерных систем, способных управлять потоками излучения разной интенсивности, с учетом процессов отражения, поглощения, интерференции, преломления и ограничения световых пучков в реальном масштабе времени [1-4]. Характеристики оптического покрытия определяются спектральными параметрами, адгезией к поверхности подложки, геометрическими размерами, рельефом поверхности, коэффициентами преломления, лазерной прочностью, а также зависят от согласованного выбора типа подложки, на которую наносится покрытие, ее показателя преломления, шероховатости поверхности подложки.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия, выбранная в качестве аналога [5], где покрытие с минимальным поглощением и рассеянием излучения создавалось за счет получения ненапряженных слоев покрытия с аморфной или монокристаллической структурой. Такое покрытие образовывалось при использовании многократного осаждения монослоев на подожку, нагретую до температуры, не превышающей температуру разрушения и изменения материала подложки и предыдущих слоев покрытия. Покрытие создавалось путем конденсации паров пленкообразующего материала и осаждением их на подложку. В эксперименте авторов публикации [5] подложка нагревалась до температуры 50-100°C, определяемой верхней границей конденсации осаждаемого материала, при этом максимальная температура составляла 150-200°C, что определялось нижней границей конденсации. Недостатком известной конструкции покрытия является: узкий температурный диапазон нагрева подложки, недостаточная однородность рельефа поверхности покрытия и наличие рассеянного излучения, что говорит о существенной шероховатости поверхности и затрудняет применение этого покрытия в системах с высоким светопропусканием в УФ-, видимой и ближней ИК-областях спектра.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия и оптического элемента, выбранная в качестве прототипа [6], где оптический элемент состоит из выступов и углублений, причем выступы имеют неправильную форму, выпуклости и выемки которых образуют световые ловушки, а на полученной таким образом крупномасштабной поверхности сформирован второй слой из мелких неоднородностей. Характерный размер выступов и выемок крупномасштабных неоднородностей в 10-100 раз превышает длину волны излучения линии Лайман-альфа, а размер мелкомасштабных неоднородностей в среднем равен этой длине (менее 200 нм). Недостатком данной конструкции явилось недостаточный спектральный диапазон работы оптического элемента (данный диапазон ограничен только синей и УФ-областью спектра), а также использование двухслойного покрытия, что создает четкую границу раздела фаз: твердая подложка-покрытие, а значит, снижает светопропускание, снижает однородность покрытия, увеличивает светорассеяние на шероховатостях поверхности.

Техническим результатом изобретения является повышенная влагостойкость покрытия, нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, увеличение светопропускания оптического покрытия и оптического элемента в ИК-области спектра, повышение однородности, механической и лазерной прочности, снижение шероховатости поверхности.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает 2 слоя, причем первый слой состоит из выступов и углублений размером десятки микронов, имеющих неправильную форму, а второй слой сформирован из мелких неоднородностей размером сотни нанометров, используют только один слой покрытия, сформированного из углеродных нанотрубок правильной формы с размером 6-20 нм в диаметре и 20-150 нм по длине нанотрубок. При этом углеродные нанотрубки внедряются в поверхностный слой подложки из гигроскопичного оптического материала KBr, NaCl, KCl, нивелируя границу раздела фаз: твердая подложка-покрытие. Этот процесс обуславливается встраиванием трудноразрушимых алмазоподобных C-C связей углеродных нанотрубок в поверхностные слои подложки с выравниванием показателя преломления покрытия и подложки. Строгое встраивание углеродных нанотрубок в поверхность подложки обеспечивается их выравниванием в электрическом поле.

Замена двухслойного покрытия с неоднородностями микронного размера на покрытие на основе углеродных нанотрубок с неоднородностями нанометровых размеров и без границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, а также использование подложек из бромида калия, хлорида натрия, хлорида калия, функционирующих не только в видимой, но и в ближней, и средней ИК-областях, создает более однородный поверхностный рельеф оптического элемента, существенно расширяет спектральный диапазон роботы покрытия и оптического элемента вплоть до среднего ИК-диапазона, повышает его механическую и лазерную прочность, снижает шероховатости поверхности и повышает влагостойкость. При работе предлагаемой конструкции оптического покрытия и оптического элемента на его основе предполагается использовать спектральную область ближнего и среднего ИК-диапазона, при этом для расширения области работы оптического покрытия в этой области спектра используются подложки из KBr, NaCl, KCl.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое покрытие отличается тем, что для повышения однородности и расширения спектральной области функционирования наносимого слоя используется нивелирование границы раздела сред: твердая подложка-покрытие, то есть создается единый поверхностный слой с близким показателем преломления между покрытием и подложкой, с другим размером неоднородностей, а именно используется покрытие на основе углеродных нанотрубок с размером неоднородностей на уровне нанометров, при этом углеродные нанотрубки ориентированы перпендикулярно поверхности подложки за счет приложения электрического поля, реализуя гомеотропную ориентацию. Нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие, выравнивание показателей преломления покрытия и подложки, ортогональное нанесение покрытия на подложку в электрическом поле, сами оптические характеристики покрытия и подложки из KBr, NaCl, KCl - материалов ближнего и среднего ИК-диапазонов - позволяют функционировать оптическому покрытию и оптическим устройствам на его основе в области спектра от ближнего до среднего ИК-диапазона. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен процесс возможного встраивания углеродных нанотрубок в поверхность материала подложки из бромида калия, KBr, (Фиг. 1); изобретение поясняется оптическим спектром работы оптического покрытия в ИК-диапазоне при условии, что покрытие наносилось на этот же материал подложки (Фиг. 2); изобретение поясняется измеренными углами смачиваемости чистой подложки из KBr и подложки из KBr с нанесенным покрытием из ориентированных углеродных нанотрубок (Фиг. 3). Позиция 1 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием из углеродных нанотрубок при воздействии влаги через 1 сутки. Позиция 2 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия при воздействии влаги через 1 сутки. Позиция 3 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием при воздействии влаги через 2 суток. Позиция 4 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия через 2 суток. Позиция 5 (Фиг. 2) - это спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием при воздействии влаги через 3-14 суток. Позиция 6 (Фиг. 2) - это спектр пропускания без покрытия через 3 суток.

Толщина образцов составляла 8 мм, что подтверждает нивелирование границы раздела фаз: твердая подложка-покрытие за счет отсутствия потерь на отражение света от границ раздела. Пропускание системы подложка-покрытие улучшено на процент на ряде длин волн ИК-области. Увеличение пропускания составило в среднем 1%. Уменьшение смачиваемости, регистрируемое по увеличению углов смачиваемости, составило, на примере KBr, от 7° для чистого бромида калия, до 27° для бромида калия с нанесенными углеродными нанотрубками, то есть угол смачиваемости увеличился не менее чем в 3-4 раза.

Предлагаемые оптическое покрытие представляет собой систему, состоящую из одного слоя наносимых углеродных нанотрубок толщиной ≤100 нм, напыляемых в вакууме при использовании лазерного излучения и при ориентировании углеродных нанотрубок в электрическом поле, и подложек из гигроскопичного оптического материала KBr NaCl, KCl.

Напыление углеродных нанотрубок проводилось в вакууме на подложки, холодные или нагретые до температуры менее 80°C при использовании осаждения материала покрытия из углеродных нанотрубок излучением лазера. Источником излучения служил квазинепрерывный щелевой СО₂-лазер с p-поляризованным излучением на длине волны 10.6 мкм, с мощностью 30 Вт. Для более равномерного распределения, упорядочения, то есть ориентирования углеродных нанотрубок, прикладывалось электрическое поле напряженностью в диапазоне 50-250 В/см.

Измерение спектральных характеристик покрытия проводилось с использованием спектрометра Спектролюм ФТ-08 в диапазоне 3000-30000 нм. Образцы, то есть чистая подложка и подложка, обработанная по описанному способу углеродными нанотрубками, ставились в оправу, и измерения пропускания проводились одновременно для каждой длины волны. Получено увеличение пропускания исследуемых материалов на 1% в диапазоне 3000-30000 нм, что регистрируется уже при односторонней обработке подложки.

Контроль рельефа поверхности осуществлялся электронным микроскопом ПОЛАМ Р312, производства «ЛОМО», Санкт-Петербург, а также рельеф тщательно исследовался зондовым микроскопом фирмы “NT-MDT” (Зеленоград) “Bio47-Smena” в режиме “share-force”. Механическая прочность на истирание была исследована на приборе СМ-55 (разработка ГОИ им. С.И. Вавилова) при нагрузке на индентор 100 г.

Использование в качестве оптического покрытия монослоя из углеродных нанотрубок, наносимых в вакууме на подложки из бромида калия, хлорида натрия, хлорида калия с помощью излучения квазинепрерывного СО₂-лазера, ориентированных в процессе напыления электрическим полем напряженностью 50-250 В/см, позволило существенно увеличить однородность покрытия, снизив размер неоднородностей с микро- до наноразмеров, позволило существенно расширить спектральный диапазон функционирования оптического элемента, осуществив работу в широкой средней ИК-области, а также существенно повысить влагозащищенность покрытия при уменьшении его смачиваемости. Улучшенная однородность покрытия, его высокая механическая прочность, повышенное светопропускание в широкой области спектра, являющееся необходимым условием применения в оптоэлектронике и в биомедицинской технике, позволили сократить число слоев с двух [6] до одного, расширить спектральный диапазон ИК-диапазона и уменьшить смачиваемость поверхности. Указанное функциональное совершенствование оптического покрытия и устройств на его основе позволит существенно расширить область применения нового покрытия для защитных стекол и светоделителей ИК-излучения; пригодно для использования в специальных приборах в качестве защитных покрытий, где требуется дополнительное создание защитного слоя от влажности, царапин, трещин, др. дефектов, полезно для применения в биомедицине, где требуется тестирование биообъектов, в том числе в ИК-диапазоне воздействия электромагнитных волн. Изобретение сделано в рамках работы по гранту РФФИ №13-03-00044.

Источники информации

1. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.

2. Н.В. Каманина, Л.Н. Сомс, А.А. Тарасов. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света // Оптика и спектроскопия, т. 68, №3, с. 691-693, 1990.

3. Крылов Т.Н. Интерференционные покрытия. 1973.

4. Оптическая голография. В 2-х томах. Под редакцией Г. Колфилда. М.: Мир, 1982.

5. Патент на изобретение №94041175. «Способ изготовления тонкопленочных покрытий» (вид документа: А1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 94041175, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: конструкторское бюро приборостроения, изобретатели: Лазукин В.Ф., Погорельский С.Л., Сухоруких А.В., Шипунов А.).

6. Патент на изобретение №2079860. «Оптический элемент» (вид документа: C1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 93057999, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: Молдосанов Камиль Абдикеримович, изобретатели: Молдосанов Камиль Абдикеримович, Самсонов Михаил Александрович, Ким Лилия Станиславовна).

Оптическое покрытие для оптического приборостроения, Фурье-спектроскопии, биомедицинской техники, содержащее слой напыленных, с использованием излучения квазинепрерывного СО₂-лазера, углеродных нанотрубок на подложку гидроскопичного оптического материала KBr, NaCl, KCl, отличающееся тем, что для повышения влагостойкости, повышения однородности, расширения спектральной области функционирования осаждаемого покрытия вплоть до среднего ИК-диапазона, повышения механической и лазерной прочности, уменьшения шероховатостей поверхности, для создания гомеотропной ориентации молекул органических систем и тестирования биообъектов используется один слой углеродных нанотрубок, ориентированных в электрическом полем с напряженностью 50-250 В/см, с размером неоднородностей на уровне нанометров, осаждаемый на подложку из гигроскопичного оптического материала, такого как KBr, NaCl, KCl.