低光學衍射隨機六元環金屬網絡導電膜*

李子楊 楊霄 劉華松 姜玉剛 白金林 李士達 楊仕琪 蘇建忠

(天津津航技術物理研究所，天津市薄膜光學重點實驗室，天津 300308)

1 引言

隨著電子技術的迅速發展，空間電磁環境日益復雜，對于光電器件的電磁干擾愈發嚴重[1-4].特別是對于光學窗口等透明光學器件，空間電磁干擾將嚴重影響光電系統的探測與成像性能.光學窗口需要在保持高透光率的同時，對電磁干擾進行有效屏蔽[5-8].在光學窗口表面制備圖形化金屬網絡導電薄膜可以實現光學譜段與電磁波譜段的頻率分離，是目前光學窗口實現高效透光與電磁屏蔽的主流方案和關鍵技術[9-14].

然而，周期性圖形化窗口具有極強的衍射特性，將在平行于柵線的軸向上形成十分明顯的衍射雜散光，從而降低光學窗口的成像質量，甚至造成虛假目標掩蓋真實目標等嚴重影響，對光學系統危害極大.為了解決上述問題，Halman 等[15]設計并制備了輪-輻結構、六邊形結構和重疊圓環結構的金屬網絡導電膜，證實了隨機量的引入可以平滑高級次衍射雜散光的強度分布.清華大學提出了一種具有花瓣形圖案的新型金屬網絡導電膜，它可以有效地實現高級次衍射雜散光的抑制，同時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結構的金屬網絡導電膜，可以有效地抑制高級次衍射雜散光，然而，使用這種制造方法得到的網格圖案過于隨機，無法對光學性能和電磁屏蔽效能進行較為準確的工藝設計.

針對當前圖形化窗口在實際應用中遇到的問題，本文對比分析了不同網絡圖案下的光學透射率，選取通光率最高的六邊形作為初始結構.隨后在規則六邊形的基礎之上，提出了一種隨機六元環結構的圖形化表面.該結構可以有效地實現高電磁屏蔽效能，同時保持較為平滑的高級次衍射雜散光分布和較低的光學透射率損耗.隨后開展了隨機六元環結構金屬網絡導電膜的制備及光學透射率測試.本文研究成果對提升飛行器光學窗口的綜合性能具有重要意義.

2 理論分析及結構參數設計

2.1 不同網絡圖案下光學透射率對比分析

金屬網柵圖形化表面在光學波段下總體透過率數值上等于網絡圖案的孔隙比，用Ttotal表示，數值上等于在一個基本結構單元內無金屬線覆蓋的面積與整個圖案單元面積的比值.用2a表示網柵的線寬，g表示網柵的周期.金屬網絡導電膜的總光學透射率可以通過(1)式計算.

網絡的基本結構陣列可以有多種形式，如傳統二維方格結構[18，19]、圓環結構[9]、六邊形結構[12，20]等，如圖1 所示.常規金屬網絡導電膜的表面圖案通常為二維方格結構，然而，從光學透射率最大化的角度出發，二維方格結構并非表面網絡圖案的最佳選擇.衡量網絡結構特性的最主要參數為周期和線寬，通常情況下，周期是指相鄰圖案單元中心之間的距離.在認為光學探測器的信號接收光瞳為圓形的前提下，對于相同線寬與周期結構的圖案，其光學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，選取任一單位結構的中心作為圓心，以共有周期為半徑.上述圖案的總體光學透射率Ttotal分別為:

比較(2)式中各透射率計算結果的大小可知，在圖1 所示基本圖案組成的陣列中，圖1 (f)對應的正六邊形結構具有最大的透光率.六邊形作為一種可以無縫隙平鋪整個平面的結構單元，具有空間利用率高的特點.根據上述分析，本文在六邊形結構的基礎上開展設計.

圖1 常見金屬圖形化表面結構陣列Fig.1.Common metallic graphical surface structure arrays.

2.2 隨機六元環結構表面生成理論

在實際應用中，并非所有的透射光都可以被探測系統利用，有相當一部分的透射光會受到網絡的衍射作用，產生高級次衍射雜散光，只有中央零級衍射光可以被光學系統探測并接收，這使實際透射率小于孔隙遮擋作用提供的透射率.中心零級次衍射中包含的能量為[11]

方格型結構金屬網絡導電膜除了透射率受制約之外，同時具有極強的衍射特性，會在平行于網柵柵線的兩個軸向上形成十分明顯的衍射雜散光，將顯著降低方格網柵的光學傳遞函數，當應用在探測成像系統上時，會造成虛假目標掩蓋真實目標等嚴重影響，對系統危害極大.為了解決上述問題，在初始結構上引入一定的隨機度.首先按照規律生成并記錄相鄰六邊形連接點的坐標;隨后在每個連接點的x與y方向上添加隨機偏移量Δx與Δy，使每個連接點平移到一個新的位置;最后將新的坐標點連接，獲得隨機六元環結構.隨機偏移量在0—g/3 范圍內選取.隨機結構生成原理及二者構效關系如圖2 所示.

圖2 規則六邊形結構與隨機六元環結構構效關系 (a) 規則六邊形結構;(b) 隨機六元環結構;(c) 隨機結構生成原理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

對于周期型圖形化表面，可以通過對光瞳函數進行二維傅里葉變換，對結果取模平方給出[21].而對于隨機六元環結構，其光瞳函數無法用解析式直接表達出，因此無法直接求解.本文采取構造離散化矩陣的方法模擬光瞳函數.首先將衍射器件在幾何上用離散化矩陣表示，矩陣中每一個元素均代表實際空間中衍射光屏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.對矩陣作離散傅里葉變換處理，對結果取模平方，可以得到隨機結構網柵的衍射能量分布.

使用上述算法分別計算傳統二維方格結構、規則六邊形結構與隨機六元環結構的歸一化衍射雜散光強度分布，結果如圖3 所示.對于傳統二維方格結構網柵，可以明顯觀察到分布于x與y兩條軸線上的衍射圖案;對于規則六邊形圖案，衍射雜散光相比于方格結構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;將隨機六元環結構表面與六元環結構表面相對比.二者透光率相同，但隨機六元環結構表面的高級次衍射能量獲得了明顯均化.為了定量評估衍射分布的均勻性，可以計算網格的歸一化衍射能量.隨機六元環結構網柵旁瓣的最大歸一化衍射能量為0.025%，遠小于規則六邊形網柵的0.14%與方形網格的0.23%.因此可以得出結論，隨機六元環結構可以有效克服傳統方格型網柵衍射能量分布不均的弱點.

圖3 金屬網柵的不同表面結構所對應的衍射能量分布 (a)二維方格結構;(b)規則六邊形結構;(c)隨機六元環結構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窗口的重要特性.實際上，金屬網絡導電膜電磁屏蔽的機制可以用波導理論來解釋[22].每個結構單元都可以看作是一個波導，截止頻率取決于波導橫截面的大小.波導的孔徑越小，它可以達到的截止頻率越高，電磁波的屏蔽效能也就越高.而波導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鍵因素[18].令網柵線寬為4 μm，周期為100 μm，使用CST Microwave Studio 軟件仿真0.2—20 GHz 頻段內二維方格結構、規則六邊形結構與隨機六元環結構的電磁屏蔽效能，結果如圖4所示.

圖4 二維方格結構、規則六邊形結構與隨機六元環結構三者電磁屏蔽效能對比Fig.4.Comparison of electromagnetic interference shielding effectiveness among 2D square structure，regular hexagonal structure and random hexagonal structure.

根據仿真結果可知，在相同周期和線寬之下，規則六邊形與隨機六元環網絡導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.而傳統二維方格在0.2—20 GHz 內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，因此適當地引入圖案隨機度并不會顯著影響電磁屏蔽效能;同時六元環基本結構與傳統二維方格結構相比，在實現高電磁屏蔽效能方面更具優勢.

2.5 結構參數設計

根據前文的分析，網絡導電膜的周期必須遠小于入射微波波長，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提高網格的遮蔽率，進而降低其光學透射率.對光學系統而言，圖形化表面設計的重點應在于在滿足整體電磁屏蔽技術需求的基礎上盡可能地提升整體紅外透射率.對于具有相同孔隙比的網絡，具有窄線寬、小周期的結構具有更加優秀的電磁屏蔽效能.然而考慮制備條件，線寬并不能無限減小;另外，當線寬過窄時，極易出現線寬不均勻、金屬膜附著牢固性差、網絡斷線率上升等問題，不僅會導致設計結果與實際結果不符，而且會導致網絡導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，選擇網格的周期和線寬分別為100 和4 μm.根據(3)式可以計算得到網柵中心零級次衍射光透射率為85%.根據2.4 節仿真結果可知，網絡導電膜在0.2—20 GHz 內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工作在可見光波段與長波紅外波段，窗口材料選取為ZnS，窗口面積為100 mm×125 mm.為了保證網絡導電膜具有較長的使用壽命，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導致膜層與基底的結合性變差，可能因為沉積缺陷等造成網絡斷線的現象;同時，通過計算可知，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.在綜合考慮結合強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 實驗及測試

3.1 分析圖形化表面的制備

金屬網絡導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ZnS 基片進行清洗;在此之后旋涂JZ-504 正性光刻膠，先令旋膠臺在1000 r/min 的轉速下甩膠5 s，再切換至2000 r/min 的高轉速下甩膠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，將基片轉移至光刻機中，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方式，在ZnS 基片上沉積150 nm 厚的金膜，鍍膜溫度設置為200 ℃;考慮到金膜與ZnS的結合性并不好，為了防止金膜發生脫落，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，擦拭已經完成金屬薄膜沉積的ZnS 窗口.使用金相顯微鏡測試金屬網絡導電膜表面微結構，如圖5 所示.制備得到的金屬網絡導電膜圖案完整、金屬線清晰可見、線寬均勻、無斷線情況發生.

圖5 金屬網絡導電膜微觀結構 (a) 100 X 金相顯微探測結果;(b) 200 X 金相顯微探測結果Fig.5.Random hexagonal surface microstructure:(a) 100 X metallographic probing result;(b) 200 X metallographic probing results.

3.2 光學透射率測試

使用PerkinElmer 公司的LAMBDA900 型分光光度計測量窗口樣品的可見光波段的透射曲線;使用Bruker 公司的VERTEX 70 型傅里葉光譜儀測量樣品長波紅外波段的透射曲線.測試ZnS 光學窗口在可見光與長波紅外波段的透射率情況，結果如圖6 所示.ZnS 光學窗口在400—800 nm 可見光波段平均透射率為70.4%.經表面圖形化制備后，平均透射率變為63.6%，能量損失6.8%;在8—12 μm 長波紅外波段，窗口平均透射率為73.3%，表面圖形化制備后平均透射率變為62.5%，能量損失10.5%;對于長波紅外波段，可以計算得出網絡自身的透射率為85.2%，與理論設計結果85%十分符合.而對于可見光波段，計算得出網絡自身的透射率為90.3%，大于設計結果，這是因為可見光的波長較短，高級次衍射能量分布更集中，實際測試結果不僅包括中心零級次衍射光，也包含了部分高級次衍射雜散光，所以實際測試的結果相較于理論值更高.

圖6 透射率測試結果 (a) 400—800 nm 可見光波段透射率;(b) 8—12 μm 長波紅外波段透射率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絡導電膜的紅外窗口上，測試衍射雜散光的空間分布特性，結果如圖7 所示.實際衍射雜散光分布圖樣與前文計算分析結果總體一致.本文設計的隨機六元環結構金屬網絡導電膜與傳統二維結構相比，能夠大幅度降低和均化高級次衍射雜散光，對提升電磁屏蔽窗口成像質量具有重要意義.

圖7 隨機六元環結構金屬網絡導電膜衍射光強分布測試結果Fig.7.Regular hexagonal structure diffraction intensity distribution test results.

4 結論

本文對比分析了不同網絡圖案下的光學透射率，其中正六邊形結構具有最高的光學透射率.與此同時，六邊形作為一種可以無縫隙平鋪整個平面的結構單元，具有空間利用率高、結構穩定的特點.本文在規則六邊形結構的基礎上開展了隨機六元環結構表面的設計.經過衍射特性分析，可知隨機六元環結構可以有效克服傳統方格型網柵高級次衍射能量分布不均的弱點.根據電磁屏蔽效能仿真結果可知，規則六邊形結構與隨機六元環結構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，均高于傳統二維方格結構.

隨后在ZnS 光學窗口上完成了線寬為4 μm、周期為100 μm 的隨機六元環結構金屬網絡導電膜的制備，樣品表面圖案完整、金屬線清晰可見、線寬均勻、無斷線情況發生.光學透射率測試結果顯示，ZnS 光學窗口在可見光波段的透射率由70.4%變為63.6%，在長波紅外波段的透射率由73.3%變為62.5%，能量損失較低.衍射雜散光分布測試結果顯示，與傳統二維方格結構相比，隨機六元環結構金屬網絡導電膜能夠大幅度降低和均化高級次衍射雜散光.綜上所述，本文設計并制備的隨機六元環結構金屬網絡導電膜具有優異的光學性能與電磁屏蔽效能，對于提升圖形化光學窗口的綜合性能具有重大意義.