مقالۀ پژوهشی: طیف‌نگاری فوتوالکترونی پرتو X لایه‌های نازک اپتیکی TiO2 در عملیات حرارتی مدیریت‌شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، پژوهشکدۀ فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

2 دانشجو، گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

3 کارشناس ارشد آزمایشگاهی، پژوهشکدۀ فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

4 دانشیار،پژوهشکدۀ سوخت، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

چکیده

یکنواختی ترکیب شیمیایی (استوکیومتری) لایه‌های نازک اپتیکی نقش مهمی در کیفیت لایه‌ها دارد و افزایش آن موجب افزایش ضریب عبوردهی و آستانۀ تخریب لیزری و کاهش ضریب جذب می‌گردد. برای افزایش یکنواختی لایه‌ها، روش‌های متفاوتی هنگام عملیات لایه‌نشانی و پس از آن به‌کار گرفته می‌شود. انجام عملیات حرارتی، یعنی گرم کردن لایه‌های نازک پس از عملیات لایه‌نشانی، یکی از متداول‌ترین این روش‌هاست. دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2)، به‌عنوان ماده‌ای با ضریب شکست بالا، یکی از پرکاربرد‌ترین مواد در فناوری لایه‌نشانی اپتیکی است. به‌منظور یکنواختی ترکیب شیمیایی لایۀ نازک دی‌اکسید تیتانیوم، پس از عملیات لایه‌نشانی، تا دمای 400 درجۀ سانتیگراد به‌طور یکنواخت گرم می‌شود. در این تحقیق، وابستگی یکنواختی ترکیب شیمیایی لایه‌های نازک اپتیکی TiO2، به نرخ عملیات حرارتی (افزایش تدریجی دمای عملیات حرارتی نسبت به زمان) از طریق تحلیل طیف فوتوالکترونی پرتو X نمونه‌ها بررسی می‌شود. بدین‌منظور، پس از لایه‌نشانی TiO2 به‌ضخامت 400 نانومتر توسط تفنگ الکترونی روی شیشۀ اپتیکی BK7، هریک از نمونه‌ها تحت عملیات حرارتی با نرخ‌های متفاوت قرار گرفتند. داده‌های به‌دست‌آمده از طیف فوتوالکترونی پرتو X نشان می‌دهد که نمونه‌هایی که تحت عملیات حرارتی کند (2٫2 درجۀ سانتیگراد در هر دقیقه، تا دمای نهایی 400oC) قرارگرفته‌اند، ترکیب شیمیایی یکنواخت‌تری دارند و در آنها مقادیر بیشتری از ترکیب شیمیایی TiO2 موجود است. با استفاده از نتایج حاصل می‌توان آستانۀ تخریب لیزری آیینه‌های لیزری را در رژیم تابشی نانوثانیه و فمتوثانیه بهبود بخشید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Research Paper: X-ray Photoelectron Spectroscopy of TiO2 Optical Thin Films at Managed Annealing Process

نویسندگان [English]

  • Alireza Bananej 1
  • Zohreh Parsa 2
  • Mahdieh Khatiri 3
  • Hadi Adelkhani 4
1 Associate Professor, Photonics and Quantum Technology Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute
2 Student, Kharazmi University, Physics Department, Iran
3 Photonics and Quantum Technology Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute
4 Associate Professor, Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute
چکیده [English]

Titanium dioxide (TiO2) is widely used in optical coating technology because of its stability and high index of refraction. The homogeneity of the chemical composition (stoichiometry) of the optical thin films plays an important role in the quality of the layers. Increasing the homogeneity increases the transmission coefficient and the laser-induced damage threshold and decreases the absorption coefficient. To increase the homogeneity of the layers, various methods are used during and after the process of film coating. Annealing (heating the deposited films up to a certain temperature) is a common technique. After the coating process, TiO2 thin film is uniformly heated to 400 °C to obtain the homogenization of the stoichiometry. In this research, the dependence of the homogeneity of the stoichiometry of TiO2 optical thin films on the rate of heat treatment (a gradual increase of heat treatment temperature over time) is investigated by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) of the samples. So, the 400 nm thick TiO2 layers are coated on the BK7 optical glass, utilizing an electron gun. Then, each sample is subjected to heat treatment at different rates. The data obtained from the XPS analysis show that the samples subjected to slow heat treatment (2.2 °C per minute, up to a final temperature of 400 °C) have a more homogeneous stoichiometry and contain higher amounts of TiO2. Based on the results, the laser-induced damage threshold of laser mirrors can be improved in the nanosecond and femtosecond regimes of radiation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thin film
  • X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • heat treatment
  • stoichiometry
[1] Chvykov V., New generation of ultra-high peak power and average power laser systems, Intech open access, DOI: 10.5772/intechopen.70720, 2017.
[2] Yao J., Shao J., He H., and Fan Z., Effects of annealing on laser-induced damage threshold of TiO2/SiO2 high reflectors, Applied Surface Science, 253 (22), 8911-8914, 2007.
[3] Hassanpour A., Bananej A., The effect of time-temperature gradient annealing on microstructure, optical properties and laser-induced damage threshold of TiO2 thin films, Optik, 124.1, 35-39, 2013.
[4] Bananej A., Hassanpour A., Modification of laser induced damage threshold of ZrO2 thin films by using time - temperature gradient annealing, Applied surface science, 258 (7), 2397-2403, 2012.
[5] Mcleod H.A., Thin film optical filters, CRC press, 2017.    Institute of physics publishing (IOP), Bristol and Philadelphia, 2001.
[6] Bharti B., Kumar S., Lee H.N, and Kumar R., Formation of oxygen vacancies and Ti+3 state on TiO2 thin film and enhanced optical properties by air plasma treatment, Sci Rep, 6, 32355, 2016.
[7] Babelon P., SDequiedt A., Mostéfa-Sba H, Bourgeois S., Sibillot P., and Sacilotti M., SEM and XPS studies of titanium dioxide thin film grown by MOCVD, Thin solid films, 322, 63-67, 1998.