通過氣體的單電荷或多電荷離子束處理制備抗反射玻璃材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的主題是通過氣體的單電荷或多電荷離子束處理玻璃材料的方法；該方法 旨在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在可見區(qū)的波長(zhǎng)譜中降低反射和改進(jìn)光透射。本發(fā)明方法尤其應(yīng)用于透鏡或 玻璃片的透明襯底的表面，使得所述表面獲得特征在于可見光透射率大于98%的抗反射性 質(zhì)。在這些條件下，所述表面在可見區(qū)顯示出良好的抗反射性質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，玻璃表面反射大約95. 5%的入射光，事實(shí)上降低了光電池的能效或使 得難以閱讀電腦或手機(jī)平板屏幕。
[0003] 玻璃表面上的光反射更通常地通過Fresnel關(guān)系來解釋，其為以90°入射角通過 屈光度的光射線給出了以下反射（R)和透射（T)系數(shù)：
[0004] R= ((n2_nl) / (n2+nl))2;T= 4nl*n2/ (n2+nl) 2
[0005] 其中nl和n2是通過屈光度區(qū)分的介質(zhì)的反射指數(shù)。發(fā)現(xiàn)R+T= 1 (能量守恒）。 對(duì)于空氣（nl= 1)和玻璃（n2 = 1. 54)，這些公式產(chǎn)生R= 0? 045和T= 1-R= 0? 955 (透 射95. 5%，只反射4.5% )。
[0006] 對(duì)于由兩個(gè)表面組成的玻璃條，存在超過兩倍的損失，2' 4.5%= 9%。該光能量 損失代表光電應(yīng)用的無價(jià)值部分。
[0007] 存在由基于金屬氧化物沉積組成的抗反射工藝，使用這種工藝相對(duì)復(fù)雜和昂貴。 例如，對(duì)于透鏡，將提及在真空（10 5托）下精度約為一埃的沉積金屬氧化物薄層的工藝。 在無塵室中，首先在洗滌線中清洗透鏡，然后在超聲下干燥。將它們放進(jìn)將進(jìn)入處理室的支 持體中。在所述室中施加真空以獲得氧化物在較低溫度下的蒸發(fā)（升華）。蒸發(fā)可以通過 焦耳效應(yīng)通過加熱氧化物或使用電子槍來進(jìn)行。必需完美控制真空的質(zhì)量和度量、蒸發(fā)率 和所沉積的層的厚度。當(dāng)然，這些厚度應(yīng)該是均勻的。存在其他類型的稍微便宜的PVD沉 積，例如氟化鎂MgF2 (指數(shù)1. 38)和氟鋁酸鈉Na3AlF6 (指數(shù)1. 35)，其折射率接近理想指數(shù) 然而沒有達(dá)到理想指數(shù)，如可通過本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)。
[0008] "玻璃"理解為是指易碎（脆性）且對(duì)可見光透明的硬質(zhì)材料或合金。通常，玻璃由 二氧化硅（Si02)和主要成分是砂的焊劑組成。在所有類型的玻璃中，最普遍的是蘇打-石 灰玻璃。從物理角度而言，玻璃是顯示玻璃轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的無定形材料（也就是非結(jié)晶材料）。 低于其轉(zhuǎn)變溫度（其非常高），玻璃以玻璃態(tài)存在。
[0009] 這造成需要用于玻璃材料的表面處理以在非常長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)引入抗反射性質(zhì)的方 法，優(yōu)選地根據(jù)易于在工業(yè)規(guī)模上操作的方法，以便能夠以大量和合理的成本提供這種玻 璃材料。
[0010] 文獻(xiàn)US5 250 098公開了用于在玻璃材料的可見區(qū)進(jìn)行持久抗反射處理的方 法，該方法是通過離子束轟擊；所使用的離子是單電荷的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 本發(fā)明的目的是提供用于處理玻璃材料的方法，該方法相對(duì)便宜且可以處理對(duì)應(yīng) 于眾多應(yīng)用要求的表面。在這些應(yīng)用中，將提及觸摸屏、眼鏡片、光學(xué)裝置的透鏡、建筑物的 窗戶或光學(xué)纖維。
[0012] 因此，本發(fā)明提供用于在玻璃材料的可見區(qū)進(jìn)行持久抗反射處理的方法，其由通 過經(jīng)由電子回旋共振（ECR)源產(chǎn)生的氣體的單電荷和多電荷離子束轟擊組成，其中：
[0013] _用于處理玻璃材料的溫度小于或等于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；
[0014]-注入每單位表面積的氣體的單電荷和多電荷離子的劑量為1012個(gè)離子/cm2_1018 個(gè)離子/cm2,以便獲得氣體的單電荷和多電荷單電荷和多電荷離子的原子濃度，使得注入 層的折射率n約等于（nl*n2)1/2,其中nl是空氣指數(shù)和n2是玻璃指數(shù)；
[0015]-加速電壓為5kV-1000kV，以獲得等于p*A/4*n的注入厚度t，其中t是對(duì)應(yīng)于 注入范圍的注入厚度，其中氣體的單電荷和多電荷離子的原子濃度大于或等于1%，P是整 數(shù)，A是入射波長(zhǎng)和n是注入層指數(shù)。
[0016] 發(fā)明人已經(jīng)能夠發(fā)現(xiàn)，包含通過經(jīng)由電子回旋共振（ECR)源產(chǎn)生的氣體的單電荷 和多電荷離子束轟擊的用于在可見區(qū)進(jìn)行持久抗反射處理的方法比包含通過氣體的單電 荷離子束轟擊的方法更有效。
[0017] 根據(jù)一種實(shí)施方式，氣體的單電荷和多電荷離子束包含10 %的多電荷離子或大于 10%的多電荷離子。
[0018] 根據(jù)一種實(shí)施方式，離子束氣體的單電荷和多電荷離子選自氦（He)、氖（Ne)、氬 (Ar)、氪（Kr)和氙（Xe)的"稀有"氣體的元素的離子。
[0019] 根據(jù)另一種實(shí)施方式，離子束氣體的單電荷和多電荷離子選自氮（N2)和氧（02)的 氣體的離子。
[0020] 注入每單位表面積的氣體的單電荷和多電荷離子的劑量為1〇12個(gè)離子/cm2-1018 個(gè)離子/cm2,以獲得氣體的單電荷和多電荷離子的原子濃度，使得注入層的折射率n約等 于（nl*n2)1/2,其中nl是空氣指數(shù)和n2是玻璃指數(shù)；相對(duì)于基本上等于通過屈光度分離 的介質(zhì)的指數(shù)產(chǎn)物的平方根的值，注入層的折射率獲得降低。這通過以下公式反映m= (nl*n2)1/2,其中nl是空氣指數(shù)（nl= 1)和n2是玻璃指數(shù)；在蘇打-石灰玻璃（n2 = 1.54) 的情況下，注入層的指數(shù)（n)必須基本上等于1. 24。
[0021] 根據(jù)他們的計(jì)算，發(fā)明人估計(jì)，注入離子的原子濃度和所觀察的光學(xué)指數(shù)的降低 之間應(yīng)該存在比例關(guān)系。則該關(guān)系將大約如下：
[0022]N=nl*xl+n2*x2,其中xl+x2= 1
[0023] 其中xl對(duì)應(yīng)于注入層中硅（其代表組成玻璃的大部分原子）的平均原子濃度；
[0024] 其中x2對(duì)應(yīng)于注入層中存在的離子的平均原子濃度。
[0025] 也等于寫為：
[0026]N=nl+(n2_nl) *x2〇
[0027] 為了接近指數(shù)n= 1. 24,根據(jù)該公式，將必需注入大約50%的離子（x2 = 0. 5)。
[0028] 發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明為了獲得該結(jié)果，少5倍的離子是必需的，即離子的原子 濃度約為10%。
[0029] 這等于寫為以下經(jīng)驗(yàn)公式：
[0030]N=nl+(n2_nl)*5*x2。
[0031] 沒有超出太遠(yuǎn)，理論和實(shí)驗(yàn)之間的差異可能通過除了形成充滿氣體的納米空腔之 外的缺口產(chǎn)生和凝聚，降低了介質(zhì)的密度并事實(shí)上增強(qiáng)了折射率的降低來解釋。
[0032] 根據(jù)一種實(shí)施方式，本發(fā)明方法建議實(shí)現(xiàn)氣體的約10%的最大原子濃度，以獲得 非常接近于（nl*n2)1/2的折射率（n)。
[0033] 因此氣體的單電荷和多電荷離子的加速電壓選自5kV(千伏）_1000kV(千伏），以 獲得對(duì)應(yīng)于入射波長(zhǎng)的整倍數(shù)除以注入層的折射率的4倍的注入厚度。在所有下文中，注 入厚度是指其中離子的原子濃度大于或等于1 %的注入?yún)^(qū)域。
[0034] 這通過以下公式來反映：
[0035] t=p*A/4*n，其中t是注入厚度，p是整數(shù)，A是入射波長(zhǎng)和n是注入層指數(shù)（等 于（nl*n2)1/2)。
[0036] 對(duì)于代表可見區(qū)的黃色單色波（波長(zhǎng)等于560nm)，注入厚度必須約等于 p*(560/4*l. 24)，其中p是整數(shù)，換言之等于p*100nm。對(duì)于p= 1，注入厚度等于100nm，和 對(duì)于P= 2,注入厚度等于200nm。
[0037] 本發(fā)明方法建議的處理導(dǎo)致入射波的反射系數(shù)降低至少50%，事實(shí)上甚至至少 90%。這是因?yàn)?，通過采用其中nl= 1(空氣）和n= (n2)1/2的本發(fā)明方法的條件和通過 用以下公式R"= (n2-n2)V(n2+n2)2計(jì)算最小反射系數(shù)R"，可預(yù)期，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，R"將反而 趨于0的理想值，換言之，無反射。
[0038] 為了比較，氟化鎂（MgF2)沉積層的指數(shù)為1. 35 (略大于1. 24)。通過沉積1%匕的 抗反射處理將反射系數(shù)從4%降低到1. 2%，即反射系數(shù)降低60%。
[0039] 根據(jù)一種實(shí)施方式，所述玻璃材料用氣體的單電荷和多電荷離子（稱為"稀有"離 子，屬于由氦（He)、氖（Ne)、氬（Ar)、氪（Kr)和氙（Xe)組成的元素列表）處理。該處理 的目的是產(chǎn)生一個(gè)范圍，該范圍內(nèi)氣體的單電荷和多電荷稀有離子具有降低玻璃密度的作 用。該層的特征在于其折射率低于基礎(chǔ)健康玻璃。
[0040] 氣體的單電荷和多電荷離子和根據(jù)本發(fā)明用這些氣體的單電荷和多電荷離子轟 擊的條件的選擇可以有利地降低玻璃材料的折射率，其表示為反射系數(shù)降低和透