第四副族过渡金属氮化物作为耐久红外反射镜涂层材料及其反射调控机理研究

Infra-red mirror coatings (IRMC) used in infrared optical systems are frequently exposed in harsh environments because of the increased military and aerospace applications. However, the durability of aluminum, gold and silver films that widely used in IRMC is very poor, which urges us to develop a new IRMC material having both excellent infrared reflectivity and durability. In this project, group-IVB transition metal nitride (TMN) films are firstly proposed to use as the IRMC material. To develop the ideal IRMC, the infrared reflectivity of TMN films is improved by two ways changing the structures at “film inside" and depositing reflection-enhancing coatings at “film outside”. The influence of three microstructural factors (phase, point defect and grain size) on infrared reflectivity of TMN films are explored by the combinations of theoretical calculations, spectral fitting and a series of experiments. Infrared reflectivity-control mechanism is revealed through the relationship between microstructural factors, electronic structures, Drude/Lorentz parameters and infrared reflection properties. From the academic viewpoint, the study of infrared reflectivity-control mechanism is helpful for better understanding the fundamental problems at the cross field of Materials Science and Optics. From the application perspective, this project will provide key methods and new materials for the development of IRMC technology.

军事和空天技术的发展导致红外反射镜涂层（IRMC）的服役环境越来越苛刻，但现在普遍使用的Al、Au、Ag涂层耐久性差，亟待研发出反射性能和耐久性能俱佳的新型IRMC材料。第四副族过渡金属氮化物（TMN）具有优异耐久性能和良好红外反射性能，但它作为IRMC材料的研究一直被忽视，其微结构要素对红外反射性能的调控机理尚不清楚。本项目首次将TMN膜用作IRMC材料，采用实验与理论计算相结合的方法，分析微结构要素-电子结构-Drude/Lorentz参数-红外反射性能的内在关系，揭示红外反射调控机理。在保证优异耐久性能的基础上，采用膜“内”合金化、纳米复合以及膜“外”镀制增反射膜的方法提高TMN膜红外反射性能，力争研制出理想的耐久IRMC材料。学术上，红外反射调控机理的研究有利于更好地理解材料学和光学交叉领域存在的基本科学问题；应用上，本项目的完成将为红外反射镜涂层技术的发展提供关键方法和新型材料。

随着军事和空天技术的发展，红外反射镜涂层（IRMC）的服役环境变得越来越苛刻。然而，传统的IRMC涂层耐久性不够理想，亟待我们研发出反射性能和耐久性能俱佳的新型IRMC材料。第四副族过渡金属氮化物（TMN）具有优异耐久性能和良好红外反射性能，但它作为IRMC材料的研究一直被忽视。本项目首次将氮化铪（HfNx）用作IRMC材料，采用实验与理论计算相结合的方法，系统地研究了HfNx膜的生长机制、点缺陷、相结构、红外反射调控机理，并发展了全新的IRMC涂层。截止目前，已在Light: Science & Applications，Acta Mater.等国际知名期刊上发表SCI收录论文22篇，申请和授权国家发明专利13项，培养硕士研究生15名。本项目的主要发现点包括：（1）抑制表面凸起的垂直生长和水平生长能够制备超光滑和超粗糙的氮化铪薄膜；（2）在x<1时，δ-HfNx薄膜中主要存在的点缺陷是N空位，在x>1时薄膜中主要存在的点缺陷是Hf空位；（3）当x从1:1增加到4:3时，HfNx薄膜从岩盐相转变为立方Th3P4相，相变驱动力是能量最小化；（4）x能够有效地调节δ-HfNx膜的反射特性，这归因于N空位到Hf空位的演变引起了电子结构和介电常数的变化；（5）掺杂Ag以及制备多层增反膜能够显著地增加了δ-HfNx膜的反射性能，我们发展的IRMC比传统IRMC更适合应用于恶劣环境中。学术上，本研究揭示了氮化铪的红外反射调控机理，这有利于更好地理解材料学和光学交叉领域存在的基本科学问题；应用上，本研究设计并制备了性能优异的IRMC膜，这为红外反射镜涂层技术的发展提供关键方法和新型材料。