金屬反射膜材料簡介

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1、金屬反射膜材料簡介李秉璋1,王正和21工業(yè)材料研究所研究員2工業(yè)材料研究所副研究員一、前言WhenGodbegancreatingtheheavensandtheearth,theearthwasatfirstashapeless,chaoticmass,withtheSpiritofGodbroodingoverthedarkvapors.ThenGodsaid“Lettherebelight.”.Andlightappeared.AndGodwaspleasedwithit,anddividedthel

2、ightfromthedarkness.從舊約圣經(jīng)的記載,“光”起源于混沌之初。由于大氣中的水分子把太空中的X光(短波長)與微波(長波長)吸收,只讓特定頻譜范圍的光線(太陽光)照射到地球表面,因此孕育了地球上億萬個依賴太陽能量的物種?！肮狻笔鞘裁?光具有波動(電磁波)及粒子(俗稱光子,photon)兩種特性,例如短波長的X-光會被電子散射的現(xiàn)象,必須以粒子理論來解釋。當(dāng)把光當(dāng)成電磁波的時候,可以用三個物理量來描述它的性質(zhì),這三個物理量分別是波向量(k)、電場(E)及磁場(B)。圖一簡單地把三者之間的關(guān)系,以

3、三個互相垂直的向量來表示?并且以電磁正弦振蕩(sinusoidaloscillation)的波長(wavelength)來表示光的能量。圖二以對數(shù)指針列出各種不同波長(或頻率)的電磁波,其中波長在4x10-5到8x10-5公分(400~800nm)之間的電磁波稱為可見光。隨著半導(dǎo)體科技的突飛猛進(jìn),光電工業(yè)開發(fā)了大量的消費(fèi)產(chǎn)品,進(jìn)入了我們每一個人的生活。表一把光電產(chǎn)品依據(jù)照明、電子裝置及雷射等分類,分別介紹各種光電技術(shù)及組件。各種光電組件除了充份運(yùn)用各種半導(dǎo)體材料的光特性之外,金屬反射膜也扮演相當(dāng)重要的地位。

4、另外,金屬膜在傳統(tǒng)光學(xué)組件中也是不可或缺的角色。利用金屬的反射、半反射、分光、濾光等特性,設(shè)計出不同的半反射鏡、光線分割棱鏡與中性光密濾光片等光學(xué)組件。圖一光波可視為電場及磁場交互振蕩而成圖二各種不同波長(頻率)的電磁波表一二、材料為甚么透明?為甚么反射?自然界所有的固體皆由原子排列而成,而原子由電子與原子核所組成。非導(dǎo)電材料的電子因為受原子核的束縛,可以用彈簧模型(Lorentzmodel)來表示電子與原子核之間的振蕩。當(dāng)光波(電磁波)進(jìn)入時,由于光波的電場(E)對電子產(chǎn)生交互作用,造成電子位移,而使固體

5、產(chǎn)生極化(polarization),光波的能量被電子振蕩吸收一部份而造成光速與波長改變,稱為光的色散現(xiàn)象?！D三Lorentz模型,中間白色球為原子核,其它小黑球為電子,不同粗細(xì)的彈簧代表固體的異方向性　在此非導(dǎo)體介質(zhì)中的光速可以用下列的公式來表示V=C/n　V:光在介質(zhì)中的速度　C:光在真空中的速度n:介質(zhì)的折射系數(shù)(refractiveindex)光在介質(zhì)中除了光速改變之外,　其電場的振幅也會隨穿透距離而依e-2k’x遞減,其中k’為吸收系數(shù)(coefficientofabsorption),而x為穿

6、透距離。導(dǎo)體材料中的外殼層電子(自由電子)并沒有被原子核束縛,當(dāng)被光波照射時,光波的電場使自由電子吸收了光的能量,而產(chǎn)生與光相同頻率的振蕩,此振蕩又放出與原來光線相同頻率的光,稱為光的反射。如圖四所示,這種電子的振蕩隨著深度的增加而減小,使電子振蕩的振幅(amplitude)減小到原來1/e時(e為自然對數(shù))的深度稱為穿透深度(skindepth,δ),此穿透深度決定了材料是透明還是反射,通常大部份金屬的穿透深度只有幾十或百奈米(nanometer,nm)。穿透深度與材料的基本性質(zhì)的關(guān)系如下:δ=√(λ/π

7、cμσ)λ:真空中光的波長速c:光速μ;導(dǎo)磁系數(shù)σ:靜導(dǎo)電系數(shù)(staticconductivity)由上述公式可以了解,光線的波長愈長愈容易穿透金屬,這就是為什么波長較長的紅外線比短波長的紫外光更容易穿透金屬。另外值的注意的是,金屬的導(dǎo)電系數(shù)愈高,穿透深度愈淺,反射率(reflectivity)愈高。因此金屬反射膜材料大都使用高導(dǎo)電度的金(Gold,Au)、銀(Silver,Ag)、鋁(Aluminum,Al)與銅(Copper,Cu)等材料。圖四光照射到導(dǎo)體而使自由電子振蕩,此振蕩隨著深度的增加而減小光

8、學(xué)組件的反射主要可以分類成前反射式(front-surfacedreflection)及背反射式(back-surfacedreflection)兩種,如圖五所示,光線直接照射在反射膜上的方式稱為前反射,光線穿過透明介質(zhì)再照到反射膜的方式稱為背反射。前反射式效果最佳,但是必需考慮反射膜的表面品質(zhì)而且容易被刮傷及容易氧化。背反射式只需考慮將透明介質(zhì)的表面研磨、拋光后,再鍍上一層足夠厚度的反射膜即可,對于鍍膜的表面品