多層膜
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-10
多層膜的視頻教程
多層膜的實例教程
STACK是分析多層膜的最佳仿真工具，和求解麥克斯韋方程相比能迅速仿真如抗反射膜、OLED、VCSEL等組件的光學特性。能精準描述多層膜的波動光學特性，如干涉以及微腔效應，并支持平面波和偶極子光源。STACK支持腳本運算，通過API能和Python或Matlab互操作。
規格概要
· 支持平面波和偶極子
· 支持大面積多層膜設計
· 考慮微腔和干涉效應
STACK的主要應用
· OLED
· VCSEL
· 抗反射膜
．微腔
· 多層薄膜
主要特點
STACK分析求解器
STACK求解器比直接仿真Maxwell方程的速度更快。它適用千薄膜應用的快速原型設計，并且可使用平面波和偶極 子光源照明。求解器考慮干涉和微腔效應。
通過腳本進行互操作
通過Lumerical腳本語言、自動化API以及Python和 MATLABAPI實現互操作性。
Ansys光學軟件產品推薦
ZEMAX
Ansys Zemax是一套綜合性的光學設計軟件，它提供先進的、且符合工業標準的分析、優化、公差分析功能，能夠快速準確的完成光學成像及照明設計。
SPEOS
Speos是Ansys公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空, 航天, 軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。
展開 目前一種被證明可用于制備抗輻照金屬材料的策略是制備金屬多層膜，因為這會產生高密度的界面，而界面可以吸收材料缺陷，導致輻照損傷的恢復和復合。此外，這些界面還可以通過設計提高材料的強度、韌性和抗氧化性，從而對材料性能發揮重要作用。
現在，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家們將類似的策略應用于一類基于 MAX 相材料、SiC和TiC的抗輻照陶瓷多層膜材料，他們仔細研究了這種多層陶瓷在各個界面上發生的過程，借此提出了增強該材料輻照穩定性的方法。這項工作為創造新型層狀陶瓷打開了大門，這類陶瓷多層膜材料可用作核反應堆的結構和涂層材料等強輻照環境之中。該研究以Enhancing the phase stability of ceramics under radiation via multilayer engineering為題發表在2021年6月的《Science Advances》雜志上。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/7/26/eabg7678
“陶瓷通常具有良好的耐腐蝕性和高溫穩定性，因此它們在核應用中可以發揮特殊作用，”威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程教授 Izabela Szlufarska 說。“多層膜的方法在金屬系統中是成功的。但是陶瓷的行為與金屬截然不同。問題之一是界面是否對陶瓷有益，因為這些材料中的缺陷行為更為復雜。此外，陶瓷通常由彼此截然不同的元素組成，這些元素中的每一個都可能與界面發生不同的相互作用，從而導致對輻照的復雜反應。”
展開 【成果簡介】
西安交通大學賈春林和美國阿肯色大學Laurent Bellaiche等人報道了PTO/STO外延多層膜中電偶極子獨特構型的拓撲缺陷。他們通過定量高分辨率掃描透射電子顯微學技術，基于原子分辨率高角度環形暗場（HAADF）圖像確定了原子位置，從而在多層PbTiO3/SrTiO3膜的PbTiO3層中揭示了納米電拓撲缺陷的新穎結構，包括電偶極子波，偶極子向錯和其他電拓撲缺陷。這些拓撲缺陷結構也通過原子尺度數值模擬來重現，證實并解釋了這些電拓撲缺陷的存在和性質。該研究發表于Physical Review Letters，題為“Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO3/SrTiO3 Multilayer Films”，第一作者為西安交通大學路璐。
【圖文導讀】
圖1.HAADF圖像與晶胞偶極子的矢量圖
（a）STO基底上超晶格膜的[100] HAADF圖像。插圖顯示了界面的放大部分和原子細節。
（b）由（a）中顯示的圖像確定的晶胞偶極子的矢量圖，揭示了具有明顯模量值的偶極子出現在PTO層（黃色區域）中。藍色半圓表示偶極子的相似排列構型。紅色框標記具有特殊偶極子排列構型的位置，這些構型被放大并示于圖2和圖3中。
圖2. A/B局域放大圖與數值模擬
（a）圖1（b）中A部分的放大圖，示出了具有雙曲線形狀（粉紅-綠色區域）的極化域和具有特征為外流漩渦（紅色彎曲箭頭）的偶極子渦流。紅色的橢圓表示一個閉合小渦流，其中面內偶極矩相對較小。（b）圖1（b）中B部分的放大圖，展示出PTO膜層中的偶極子波的細節。藍色的小圓圈表示與偶極子波相關的氣泡。（c）PTO薄膜在-0.6％壓縮應變下，數值模擬平衡偶極子波顯示出與（b）中實驗觀察的一致性。
圖3.
展開 對于多層膜樣品，會收集每層膜的紅外譜圖，相比紅外圖像和線掃描而言，這種方法會有更高的信噪比和更少的分析時間。
圖5：自動檢測多層膜中每層膜的結構
圖5 顯示了一個5 層膜結構的樣品。檢測多層膜后，會自動掃描記號點位置上對應的紅外譜圖（圖6所示）。
圖6：聚合物多層膜1-5 層的紅外譜圖（從上到下）
通過譜圖庫自動檢索可以看出每層結構分別為PET（第一層和第五層）、EVA 共聚物（第二層和第四層）、硅偶聯聚乙烯（第三層）。
聚合物多層膜的ATR分析
ATR 是一種快速而簡單測試材料紅外光譜的方法。紅外顯微鏡上的ATR 可以測試幾個μm 大小樣品的紅外譜圖。顯微ATR 附件已經用來檢測食品包裝多層膜的結構了。相比透射測試，ATR能夠在更高的空間分辨率下得到紅外譜圖。對于顯微ATR 測試，需要對樣品進行樹脂包埋，然后切出一個光滑而平坦的表面。相比簡單的夾具固定樣品，樹脂包埋樣品可以防止在ATR 的壓力下樣品的變形。使用Spotlight200i 紅外顯微鏡，顯微ATR 附件對一個傳統聚合物制成的多層食品包裝膜進行測試。
圖7：多層食品包裝膜的可見圖像
圖7 顯示了此樣品的可見圖像，此多層膜的寬度大約為200μm，由多種聚合物層所構成。顯微ATR 的晶體固定在可接觸整個樣品范圍的位置，使用5μm*5μm 的光斑，步進5μm 對多層膜進行線掃描，結果如圖8所示。
展開 近日，河北工業大學鄭士建教授團隊以Cu/Nb多層膜作為模型材料，通過在界面處引入超薄的非晶層設計了一種無序界面。和Cu/Nb多層膜中無非晶層有序界面相比，這種無序界面可以通過弛豫界面位錯的面內分量和面外分量來阻礙位錯的運動，進而顯著提高材料的硬度。相關研究成果以題“Hardening induced by dislocation core spreading at disordered interfacein Cu/Nb multilayers”發表在Scripta Materialia上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113917
在這項工作中，通過磁控濺射法制備了兩種單層層厚10nm的Cu/Nb多層膜，其中樣品1中Cu層和Nb層交替生長，樣品2中除Cu層和Nb層交替生長外，還在界面處沉積了名義厚度0.5 nm的非晶層。圖1是樣品1和樣品2的TEM形貌像和對應的高分辨像。從圖中我們可以看出樣品1和樣品2具有相同的取向關系，晶粒尺寸以及層厚。但是，樣品1具有有序界面，樣品2具有無序界面。如圖2所示，通過對重復制備的3組樣品進行納米壓痕硬度測試，發現樣品1的硬度分別為5.53±0.47 GPa、5.69±0.26 GPa和5.61±0.38 GPa，樣品2的硬度分別為6.25±0.16 GPa、6.62±0.31 GPa和6.30±0.21 GPa。和樣品1相比，樣品2硬度提升11%。既然樣品2的取向關系、晶粒尺寸以及層厚均和樣品1相同，那么樣品2中的硬化應該與界面的硬化能力有關。
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需要注意的是，OpticStudio可以詳細的模擬表面膜層，如金屬膜層或多層電介質膜層等。在本例中，我們將主要展示棱鏡幾何體的建立，因此只會在模型中使用簡單的膜層。
JCMsuite：旋轉對稱發射器1個月前
幾何形狀為非理想微柱結構：
單光子柱發射器（旋轉對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創建的（見下文）。
膜層設置
選擇堆棧膜層并導入預設膜層參數（如多層介質膜）。堆棧膜層可通過控制光的反射與折射，調節偏振態，例如減少 P 偏振光反射損耗，保障光線偏振特性按設計傳遞。
光線追跡
完成系統搭建后，選擇非相干模式。該模式下，OAS 軟件可精準計算每束光線在各界面的偏振態變化，相較于常規追跡，更能捕捉偏振信息的細微差異，確保追跡結果貼合實際光學現象。
建立理想膜層
OpticStudio 可以模擬任何類型的薄膜膜層，其中包括多層電介質膜層和金屬膜層等。然而在本文中，我們將只討論如何在 OpticStudio 中建立和應用簡單的理想膜層。
和 OpticStudio 中的其他膜層相同，理想膜層是通過在膜層文件中定義材料、漸厚層以及膜層等部分的數據來進行定義的。
掩模的布局是由一個描述襯底吸收層和上層的多層膜組成的。兩個平行四邊形用于定義包括移相器的開口。
掩模是在正入射的S和P偏振情況下模擬的。對于入射方向的定義，使用光瞳面的典型西格瑪坐標:
由于這個例子是所謂的一維掩模(線/空間模式)，在xy平面中有一個2D仿真域。在源文件中設置3DTo2D = yes標簽，以執行用戶自定義傳入方向的自動轉換。
具體參數設置如下：
入射光源選用波長為 532nm 的單色光源，該波長在光學顯示與光通信領域應用廣泛；棱鏡采用特定角度和折射率設計，以確保光束能夠高效耦合進入波導板；波導板選用光學性能優良的材料，其厚度、折射率等參數依據實際應用需求進行精確設定；鍍膜葉片采用多層膜系結構，通過優化膜系材料與厚度參數，實現對光線的特定分束效果。
實驗設置與操作
參數配置
光波導板的參數直接影響光束傳輸與成像效果，其基板材料選用高折射率的光學玻璃，折射率為 1.7，板厚設定為 3mm，以保證光波導的傳輸效率與結構穩定性；波導內反射膜層采用多層介質膜結構，反射率在特定波段（如 450 - 650nm）下達到 95% 以上，確保光束在波導內的多次反射與高效傳輸。
幾何形狀為非理想微柱結構：
單光子柱發射器（旋轉對稱）
多層膜是在布局文件layout.jcm中由外部形狀為梯形的特殊原始多層創建的（見下文）。
掩模的布局是由一個描述襯底吸收層和上層的多層膜組成的。兩個平行四邊形用于定義包括移相器的開口。
掩模是在正入射的S和P偏振情況下模擬的。對于入射方向的定義，使用光瞳面的典型西格瑪坐標:
由于這個例子是所謂的一維掩模(線/空間模式)，在xy平面中有一個2D仿真域。在源文件中設置3DTo2D = yes標簽，以執行用戶自定義傳入方向的自動轉換。
