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超强激光科学卓越创新简报

(第五百九十二期)

2025年1月9日

上海光机所在离子束溅射HfO2 薄膜退火研究方面取得新进展

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部薄膜光学研发中心研究团队在离子束溅射HfO2 薄膜退火研究方面取得新进展。相关研究成果以“Effect of annealing on ion-beam-sputtered hafnium oxide thin films properties”为题发表于Optical Materials

激光薄膜是重要的光学元件,对光学原子钟、激光雷达和激光惯性约束聚变(ICF)等高精度、高功率激光系统的性能起着关键作用。因此对激光薄膜的弱吸收损耗和激光损伤阈值有着极其苛刻的要求。HfO2是一种重要的低吸收、高阈值材料,一直以来因其优异的材料特性而备受关注,而退火是改善薄膜性能的重要技术。

研究人员重点研究了退火温度对双离子束溅射沉积的 HfO2 薄膜性能的复杂影响。实验结果表明,退火温度在 500 °C 及以下时,HfO2 薄膜处于无定形状态,随着退火温度的升高,薄膜的透射率增加,薄膜吸收损耗显著降低,特别的退火温度在 400 500 °C 之间时薄膜吸收损耗最低到1 ppm。此外,退火过程改善了薄膜表面粗糙度,并最大限度地减少了其残余应力,薄膜的残余应力在 400 °C 时接近于零。当退火温度达到 600 ℃ 时,HfO2薄膜出现结晶现象,其整体性能变差,折射率进一步降低,残余应力从拉应力转变为压应力,并明显偏离零应力,弱吸收损耗显著增加。因此,400°C 是获得高质量 HfO2 薄膜的最佳温度。该研究为HfO2 薄膜退火温度的选择提供了参考,HfO2 薄膜随温度变化的表现出的不同薄膜特性对于制造应用于高精度、高功率激光系统的低吸收损耗和低应力薄膜有重要参考意义。

相关工作得到了中意政府间国际科技创新合作重点项目、国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、博士后科学基金等支持。

原文链接

1. 离子束溅射HfO2薄膜在不同温度下的XRD图谱

2. 离子束溅射HfO2薄膜的(a)残余应力,(b)弱吸收损耗与退火温度的关系


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