李子楊 楊霄 劉華松 姜玉剛 白金林 李士達(dá) 楊仕琪 蘇建忠

(天津津航技術(shù)物理研究所，天津市薄膜光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜，對(duì)于光電器件的電磁干擾愈發(fā)嚴(yán)重[1-4].特別是對(duì)于光學(xué)窗口等透明光學(xué)器件，空間電磁干擾將嚴(yán)重影響光電系統(tǒng)的探測(cè)與成像性能.光學(xué)窗口需要在保持高透光率的同時(shí)，對(duì)電磁干擾進(jìn)行有效屏蔽[5-8].在光學(xué)窗口表面制備圖形化金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電薄膜可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)譜段與電磁波譜段的頻率分離，是目前光學(xué)窗口實(shí)現(xiàn)高效透光與電磁屏蔽的主流方案和關(guān)鍵技術(shù)[9-14].

然而，周期性圖形化窗口具有極強(qiáng)的衍射特性，將在平行于柵線的軸向上形成十分明顯的衍射雜散光，從而降低光學(xué)窗口的成像質(zhì)量，甚至造成虛假目標(biāo)掩蓋真實(shí)目標(biāo)等嚴(yán)重影響，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)危害極大.為了解決上述問題，Halman 等[15]設(shè)計(jì)并制備了輪-輻結(jié)構(gòu)、六邊形結(jié)構(gòu)和重疊圓環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜，證實(shí)了隨機(jī)量的引入可以平滑高級(jí)次衍射雜散光的強(qiáng)度分布.清華大學(xué)提出了一種具有花瓣形圖案的新型金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜，它可以有效地實(shí)現(xiàn)高級(jí)次衍射雜散光的抑制，同時(shí)保證高電磁屏蔽效能[16].韓余等[17]采用分散系薄膜干燥開裂法制備出高度隨機(jī)結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜，可以有效地抑制高級(jí)次衍射雜散光，然而，使用這種制造方法得到的網(wǎng)格圖案過于隨機(jī)，無法對(duì)光學(xué)性能和電磁屏蔽效能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的工藝設(shè)計(jì).

針對(duì)當(dāng)前圖形化窗口在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題，本文對(duì)比分析了不同網(wǎng)絡(luò)圖案下的光學(xué)透射率，選取通光率最高的六邊形作為初始結(jié)構(gòu).隨后在規(guī)則六邊形的基礎(chǔ)之上，提出了一種隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)的圖形化表面.該結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)高電磁屏蔽效能，同時(shí)保持較為平滑的高級(jí)次衍射雜散光分布和較低的光學(xué)透射率損耗.隨后開展了隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的制備及光學(xué)透射率測(cè)試.本文研究成果對(duì)提升飛行器光學(xué)窗口的綜合性能具有重要意義.

2 理論分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 不同網(wǎng)絡(luò)圖案下光學(xué)透射率對(duì)比分析

金屬網(wǎng)柵圖形化表面在光學(xué)波段下總體透過率數(shù)值上等于網(wǎng)絡(luò)圖案的孔隙比，用Ttotal表示，數(shù)值上等于在一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元內(nèi)無金屬線覆蓋的面積與整個(gè)圖案單元面積的比值.用2a表示網(wǎng)柵的線寬，g表示網(wǎng)柵的周期.金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的總光學(xué)透射率可以通過(1)式計(jì)算.

網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)陣列可以有多種形式，如傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu)[18，19]、圓環(huán)結(jié)構(gòu)[9]、六邊形結(jié)構(gòu)[12，20]等，如圖1 所示.常規(guī)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的表面圖案通常為二維方格結(jié)構(gòu)，然而，從光學(xué)透射率最大化的角度出發(fā)，二維方格結(jié)構(gòu)并非表面網(wǎng)絡(luò)圖案的最佳選擇.衡量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性的最主要參數(shù)為周期和線寬，通常情況下，周期是指相鄰圖案單元中心之間的距離.在認(rèn)為光學(xué)探測(cè)器的信號(hào)接收光瞳為圓形的前提下，對(duì)于相同線寬與周期結(jié)構(gòu)的圖案，其光學(xué)透射率存在一定差異.因此，令不同基本圖案陣列的周期相同，選取任一單位結(jié)構(gòu)的中心作為圓心，以共有周期為半徑.上述圖案的總體光學(xué)透射率Ttotal分別為:

比較(2)式中各透射率計(jì)算結(jié)果的大小可知，在圖1 所示基本圖案組成的陣列中，圖1 (f)對(duì)應(yīng)的正六邊形結(jié)構(gòu)具有最大的透光率.六邊形作為一種可以無縫隙平鋪整個(gè)平面的結(jié)構(gòu)單元，具有空間利用率高的特點(diǎn).根據(jù)上述分析，本文在六邊形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì).

圖1 常見金屬圖形化表面結(jié)構(gòu)陣列Fig.1.Common metallic graphical surface structure arrays.

2.2 隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)表面生成理論

在實(shí)際應(yīng)用中，并非所有的透射光都可以被探測(cè)系統(tǒng)利用，有相當(dāng)一部分的透射光會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)的衍射作用，產(chǎn)生高級(jí)次衍射雜散光，只有中央零級(jí)衍射光可以被光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)并接收，這使實(shí)際透射率小于孔隙遮擋作用提供的透射率.中心零級(jí)次衍射中包含的能量為[11]

方格型結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜除了透射率受制約之外，同時(shí)具有極強(qiáng)的衍射特性，會(huì)在平行于網(wǎng)柵柵線的兩個(gè)軸向上形成十分明顯的衍射雜散光，將顯著降低方格網(wǎng)柵的光學(xué)傳遞函數(shù)，當(dāng)應(yīng)用在探測(cè)成像系統(tǒng)上時(shí)，會(huì)造成虛假目標(biāo)掩蓋真實(shí)目標(biāo)等嚴(yán)重影響，對(duì)系統(tǒng)危害極大.為了解決上述問題，在初始結(jié)構(gòu)上引入一定的隨機(jī)度.首先按照規(guī)律生成并記錄相鄰六邊形連接點(diǎn)的坐標(biāo);隨后在每個(gè)連接點(diǎn)的x與y方向上添加隨機(jī)偏移量Δx與Δy，使每個(gè)連接點(diǎn)平移到一個(gè)新的位置;最后將新的坐標(biāo)點(diǎn)連接，獲得隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu).隨機(jī)偏移量在0—g/3 范圍內(nèi)選取.隨機(jī)結(jié)構(gòu)生成原理及二者構(gòu)效關(guān)系如圖2 所示.

圖2 規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)與隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)效關(guān)系 (a) 規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu);(b) 隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu);(c) 隨機(jī)結(jié)構(gòu)生成原理Fig.2.Conformational relationship:(a) Regular hexagonal structure;(b) random hexagonal structure;(c) random structure generation principle.

2.3 衍射特性分析

對(duì)于周期型圖形化表面，可以通過對(duì)光瞳函數(shù)進(jìn)行二維傅里葉變換，對(duì)結(jié)果取模平方給出[21].而對(duì)于隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)，其光瞳函數(shù)無法用解析式直接表達(dá)出，因此無法直接求解.本文采取構(gòu)造離散化矩陣的方法模擬光瞳函數(shù).首先將衍射器件在幾何上用離散化矩陣表示，矩陣中每一個(gè)元素均代表實(shí)際空間中衍射光屏1 μm × 1 μm 的微面元.若該微面元處有金屬線，則將矩陣該位置的元素賦值為0;反之，若該微面元處為鏤空部位，則將矩陣該位置的元素賦值為1.對(duì)矩陣作離散傅里葉變換處理，對(duì)結(jié)果取模平方，可以得到隨機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)柵的衍射能量分布.

使用上述算法分別計(jì)算傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu)、規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)與隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)的歸一化衍射雜散光強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖3 所示.對(duì)于傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu)網(wǎng)柵，可以明顯觀察到分布于x與y兩條軸線上的衍射圖案;對(duì)于規(guī)則六邊形圖案，衍射雜散光相比于方格結(jié)構(gòu)得到一定程度的均化，但仍然可以觀察到分布于三條邊的方向上的衍射圖案;將隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)表面與六元環(huán)結(jié)構(gòu)表面相對(duì)比.二者透光率相同，但隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)表面的高級(jí)次衍射能量獲得了明顯均化.為了定量評(píng)估衍射分布的均勻性，可以計(jì)算網(wǎng)格的歸一化衍射能量.隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)網(wǎng)柵旁瓣的最大歸一化衍射能量為0.025%，遠(yuǎn)小于規(guī)則六邊形網(wǎng)柵的0.14%與方形網(wǎng)格的0.23%.因此可以得出結(jié)論，隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效克服傳統(tǒng)方格型網(wǎng)柵衍射能量分布不均的弱點(diǎn).

圖3 金屬網(wǎng)柵的不同表面結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的衍射能量分布 (a)二維方格結(jié)構(gòu);(b)規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu);(c)隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3.Distribution of diffracted intensity under different surface structures:(a) Two dimensional (2D) square structure;(b) regular hexagonal structure;(c) random hexagonal structure.

2.4 電磁屏蔽效能分析

電磁屏蔽效能是圖形化光學(xué)窗口的重要特性.實(shí)際上，金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜電磁屏蔽的機(jī)制可以用波導(dǎo)理論來解釋[22].每個(gè)結(jié)構(gòu)單元都可以看作是一個(gè)波導(dǎo)，截止頻率取決于波導(dǎo)橫截面的大小.波導(dǎo)的孔徑越小，它可以達(dá)到的截止頻率越高，電磁波的屏蔽效能也就越高.而波導(dǎo)的孔徑正取決于周期g和線寬2a，因此它們二者是影響電磁屏蔽效能的最關(guān)鍵因素[18].令網(wǎng)柵線寬為4 μm，周期為100 μm，使用CST Microwave Studio 軟件仿真0.2—20 GHz 頻段內(nèi)二維方格結(jié)構(gòu)、規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)與隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效能，結(jié)果如圖4所示.

圖4 二維方格結(jié)構(gòu)、規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)與隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)三者電磁屏蔽效能對(duì)比Fig.4.Comparison of electromagnetic interference shielding effectiveness among 2D square structure，regular hexagonal structure and random hexagonal structure.

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在相同周期和線寬之下，規(guī)則六邊形與隨機(jī)六元環(huán)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜電磁屏蔽效能幾乎相同，最大相差僅0.5 dB.二者在0.2—20 GHz 電磁波譜段內(nèi)平均電磁屏蔽效能為37.9 dB，最低屏蔽效能為29.6 dB.而傳統(tǒng)二維方格在0.2—20 GHz 內(nèi)平均電磁屏蔽效能為34.7 dB，最低屏蔽效能為26.4 dB，比前兩者低3.2 dB，因此適當(dāng)?shù)匾雸D案隨機(jī)度并不會(huì)顯著影響電磁屏蔽效能;同時(shí)六元環(huán)基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu)相比，在實(shí)現(xiàn)高電磁屏蔽效能方面更具優(yōu)勢(shì).

2.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的分析，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的周期必須遠(yuǎn)小于入射微波波長(zhǎng)，且周期越小，線寬越大，其電磁屏蔽效能越高.然而較小的周期和較大的線寬會(huì)提高網(wǎng)格的遮蔽率，進(jìn)而降低其光學(xué)透射率.對(duì)光學(xué)系統(tǒng)而言，圖形化表面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)在于在滿足整體電磁屏蔽技術(shù)需求的基礎(chǔ)上盡可能地提升整體紅外透射率.對(duì)于具有相同孔隙比的網(wǎng)絡(luò)，具有窄線寬、小周期的結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)秀的電磁屏蔽效能.然而考慮制備條件，線寬并不能無限減小;另外，當(dāng)線寬過窄時(shí)，極易出現(xiàn)線寬不均勻、金屬膜附著牢固性差、網(wǎng)絡(luò)斷線率上升等問題，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符，而且會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的電磁屏蔽性能下降.基于上述考慮，也考慮到制造的可行性，選擇網(wǎng)格的周期和線寬分別為100 和4 μm.根據(jù)(3)式可以計(jì)算得到網(wǎng)柵中心零級(jí)次衍射光透射率為85%.根據(jù)2.4 節(jié)仿真結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜在0.2—20 GHz 內(nèi)平均電磁屏蔽效能為37.9 dB，最低電磁屏蔽效能為29.6 dB.為了使樣品能夠同時(shí)工作在可見光波段與長(zhǎng)波紅外波段，窗口材料選取為ZnS，窗口面積為100 mm×125 mm.為了保證網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜具有較長(zhǎng)的使用壽命，金屬材料選取為金.隨著金屬膜層厚度的增加，窗口的電磁屏蔽效能將逐漸上升，然而金屬膜層不能無限增厚.首先，金屬膜層沉積過厚會(huì)導(dǎo)致膜層與基底的結(jié)合性變差，可能因?yàn)槌练e缺陷等造成網(wǎng)絡(luò)斷線的現(xiàn)象;同時(shí)，通過計(jì)算可知，厚度增加引起的電磁屏蔽效能提升作用很小，100 nm 厚的金屬膜層與250 nm厚的金屬膜層電磁屏蔽效能最大差異也僅有0.2 dB.在綜合考慮結(jié)合強(qiáng)度與電磁屏蔽效能的情況下，金屬膜層的沉積厚度為150 nm.

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

3.1 分析圖形化表面的制備

金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的制備工藝流程以紫外光刻為核心，前后包括基片清洗、旋涂光刻膠、金屬膜沉積、去膠清洗等工序.具體制備工藝如下:首先對(duì)ZnS 基片進(jìn)行清洗;在此之后旋涂JZ-504 正性光刻膠，先令旋膠臺(tái)在1000 r/min 的轉(zhuǎn)速下甩膠5 s，再切換至2000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下甩膠60 s;隨后使用加熱板烘烤裝置，在90 ℃的溫度下烘烤1000 s;待涂膠基片冷卻后，將基片轉(zhuǎn)移至光刻機(jī)中，在365 nm 紫外光照下曝光5 s.使用光刻膠配套顯影液在室溫下沖洗基片15 s;采用離子束輔助電阻加熱蒸發(fā)方式，在ZnS 基片上沉積150 nm 厚的金膜，鍍膜溫度設(shè)置為200 ℃;考慮到金膜與ZnS的結(jié)合性并不好，為了防止金膜發(fā)生脫落，在ZnS窗口與金膜之間增鍍一層很薄的Cr 作為過渡層;最后，使用棉簽蘸取丙酮溶液，擦拭已經(jīng)完成金屬薄膜沉積的ZnS 窗口.使用金相顯微鏡測(cè)試金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜表面微結(jié)構(gòu)，如圖5 所示.制備得到的金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜圖案完整、金屬線清晰可見、線寬均勻、無斷線情況發(fā)生.

圖5 金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜微觀結(jié)構(gòu) (a) 100 X 金相顯微探測(cè)結(jié)果;(b) 200 X 金相顯微探測(cè)結(jié)果Fig.5.Random hexagonal surface microstructure:(a) 100 X metallographic probing result;(b) 200 X metallographic probing results.

3.2 光學(xué)透射率測(cè)試

使用PerkinElmer 公司的LAMBDA900 型分光光度計(jì)測(cè)量窗口樣品的可見光波段的透射曲線;使用Bruker 公司的VERTEX 70 型傅里葉光譜儀測(cè)量樣品長(zhǎng)波紅外波段的透射曲線.測(cè)試ZnS 光學(xué)窗口在可見光與長(zhǎng)波紅外波段的透射率情況，結(jié)果如圖6 所示.ZnS 光學(xué)窗口在400—800 nm 可見光波段平均透射率為70.4%.經(jīng)表面圖形化制備后，平均透射率變?yōu)?3.6%，能量損失6.8%;在8—12 μm 長(zhǎng)波紅外波段，窗口平均透射率為73.3%，表面圖形化制備后平均透射率變?yōu)?2.5%，能量損失10.5%;對(duì)于長(zhǎng)波紅外波段，可以計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)自身的透射率為85.2%，與理論設(shè)計(jì)結(jié)果85%十分符合.而對(duì)于可見光波段，計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)自身的透射率為90.3%，大于設(shè)計(jì)結(jié)果，這是因?yàn)榭梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)較短，高級(jí)次衍射能量分布更集中，實(shí)際測(cè)試結(jié)果不僅包括中心零級(jí)次衍射光，也包含了部分高級(jí)次衍射雜散光，所以實(shí)際測(cè)試的結(jié)果相較于理論值更高.

圖6 透射率測(cè)試結(jié)果 (a) 400—800 nm 可見光波段透射率;(b) 8—12 μm 長(zhǎng)波紅外波段透射率Fig.6.Transmittance test results:(a) Transmittance in the 400—800 nm visible band;(b) transmittance in the 8—12 μm long-wave infrared band.

3.3 衍射雜散光分布測(cè)試

采用632.8 nm 激光器作為光源，垂直照射于完成鍍制金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的紅外窗口上，測(cè)試衍射雜散光的空間分布特性，結(jié)果如圖7 所示.實(shí)際衍射雜散光分布圖樣與前文計(jì)算分析結(jié)果總體一致.本文設(shè)計(jì)的隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜與傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)相比，能夠大幅度降低和均化高級(jí)次衍射雜散光，對(duì)提升電磁屏蔽窗口成像質(zhì)量具有重要意義.

圖7 隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜衍射光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果Fig.7.Regular hexagonal structure diffraction intensity distribution test results.

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析了不同網(wǎng)絡(luò)圖案下的光學(xué)透射率，其中正六邊形結(jié)構(gòu)具有最高的光學(xué)透射率.與此同時(shí)，六邊形作為一種可以無縫隙平鋪整個(gè)平面的結(jié)構(gòu)單元，具有空間利用率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn).本文在規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展了隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì).經(jīng)過衍射特性分析，可知隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效克服傳統(tǒng)方格型網(wǎng)柵高級(jí)次衍射能量分布不均的弱點(diǎn).根據(jù)電磁屏蔽效能仿真結(jié)果可知，規(guī)則六邊形結(jié)構(gòu)與隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)在相同周期和線寬下的電磁屏蔽效能幾乎相同，在0.2—20 GHz 電磁波譜段內(nèi)平均電磁屏蔽效能為37.9 dB，最低屏蔽效能為29.6 dB，均高于傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu).

隨后在ZnS 光學(xué)窗口上完成了線寬為4 μm、周期為100 μm 的隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜的制備，樣品表面圖案完整、金屬線清晰可見、線寬均勻、無斷線情況發(fā)生.光學(xué)透射率測(cè)試結(jié)果顯示，ZnS 光學(xué)窗口在可見光波段的透射率由70.4%變?yōu)?3.6%，在長(zhǎng)波紅外波段的透射率由73.3%變?yōu)?2.5%，能量損失較低.衍射雜散光分布測(cè)試結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)二維方格結(jié)構(gòu)相比，隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜能夠大幅度降低和均化高級(jí)次衍射雜散光.綜上所述，本文設(shè)計(jì)并制備的隨機(jī)六元環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電膜具有優(yōu)異的光學(xué)性能與電磁屏蔽效能，對(duì)于提升圖形化光學(xué)窗口的綜合性能具有重大意義.