上海光机所在紫外激光减反射薄膜界面缺陷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在紫外激光减反射薄膜界面缺陷研究方面取得新进展，相关研究成果以“Comparative Study of Plasma-Enhanced-Atomic-Layer-Deposited Al2O3/HfO2/SiO2 and HfO2/Al2O3/SiO2 Trilayers for Ultraviolet Laser Applications”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

等离子体增强原子层沉积技术具有优异的厚度控制精度、良好的大面积均匀性和出色的复形性，能够在较低的温度生长氧化物材料，在激光薄膜制备领域具有广阔的应用前景。Al2O3具有较大的光学带隙，与激光薄膜常用的HfO2和SiO2材料结合后有望进一步提升激光薄膜综合性能。然而，利用等离子体增强原子层沉积技术来生长高质量的Al2O3膜层，并实现与HfO2和SiO2材料的良好结合仍然面临挑战，例如如何减少显著影响激光薄膜性能的缺陷。

缺陷根据其所处位置可分为层内缺陷、基底-膜层界面缺陷和膜层-膜层界面缺陷。论文基于Al2O3材料设计并制备了包括单层、双层和三层结构的薄膜，借助电容电压测试对薄膜的层内缺陷、基底-膜层界面缺陷和膜层-膜层界面缺陷，及其对激光损伤阈值的影响进行了研究。在获得低缺陷密度和高激光损伤阈值Al2O3薄膜生长工艺参数的同时，发现HfO2-on-Al2O3界面缺陷少于Al2O3-on-HfO2界面缺陷。在此基础上，设计并制备了Substrate|Al2O3|HfO2|SiO2|Air和Substrate|HfO2|Al2O3|SiO2|Air两种结构的紫外激光减反射薄膜。测试结果表明：两种结构的薄膜在355 nm处的反射率均小于0.5%；与Substrate|HfO2|Al2O3|SiO2|Air结构相比，Substrate|Al2O3|HfO2|SiO2|Air结构的减反射薄膜具有更少的界面缺陷、更强的界面结合力和更高的激光损伤阈值（提高至2.8倍）。研究结果为其他激光薄膜的界面缺陷控制和膜系结构设计提供了参考。

相关研究得到了上海学术研究带头人项目、中国科学院青年科学家基础研究项目、上海市领军人才项目以及国家自然科学基金的支持。

图 1：（a）Al2O3/HfO2/SiO2和HfO2/Al2O3/SiO2 MOS电容器和减反射薄膜的结构示意图；（b）两种MOS电容器HfO2层与Al2O3层界面处的杂质（C、N元素）含量；（c）两种减反膜在法向载荷为200 mN时划痕的截面形貌；（d）两种MOS电容器的电容电压测试回滞曲线；（e）两种减反膜的激光损伤概率曲线（1-on-1，355 nm，7.8 ns）