Materiali critici per i filtri ultravioletti sotto vuoto (VUV)

L'ottica ultravioletta sottovuoto (VUV) occupa una nicchia piccola ma in rapida espansione nella fotonica moderna. Parleremo dei materiali critici che trovano applicazione nei filtri VUV, tra cui i rivestimenti a film sottile e i substrati per finestre in massa. Ci auguriamo che possiate comprendere meglio come la scelta del materiale abbia un impatto diretto sulle prestazioni del filtro e sull'affidabilità a lungo termine.

La sfida della trasparenza VUV

Prima di entrare nel merito dei materiali, è opportuno ricordare perché le ottiche VUV sono così specificamente difficili. Per la maggior parte dei materiali in questa gamma di lunghezze d'onda, le transizioni elettroniche sono così vicine all'energia dei fotoni della radiazione VUV che si verifica un forte assorbimento. Solo in alcuni fluoruri cristallini e in alcuni rivestimenti è possibile trasmettere realisticamente fino a 120 nm o meno. Allo stesso tempo, questi materiali devono essere resistenti alle radiazioni ad alta energia, alla potenziale esposizione a condizioni reattive e ai cicli termici nei sistemi ottici ad alta potenza. Il campo diventa quindi un insieme limitato di candidati.

Cristalli di fluoruro come substrati per finestre

Tra i materiali per finestre, i fluoruri alcalino-terrosi e gli alogenuri alcalini sono dominanti. Hanno un ampio bandgap che consente loro di trasmettere bene nel VUV, ma offrono proprietà fisiche e meccaniche relativamente stabili.

--Fluoruro di magnesio (MgF₂):

Il MgF₂ è uno dei materiali per finestre VUV più utilizzati. Trasmette fino a circa 115 nm e può essere utilizzato nella maggior parte dei sistemi di spettroscopia e litografia. L'MgF₂ ha un'adeguata forza meccanica e resistenza all'umidità, che lo rendono più robusto rispetto ad altri cristalli di fluoro. Il suo indice di rifrazione relativamente moderato semplifica inoltre la progettazione del rivestimento antiriflesso.

--Fluoruro di litio (LiF):

Il LiF estende la trasmissione fino a quasi 105 nm ed è particolarmente adatto alle applicazioni VUV estreme. Tuttavia, è igroscopico, assorbe facilmente l'acqua e si deteriora a temperature umide. Il LiF è più morbido e fragile del MgF₂ e non è ideale per ambienti difficili o installazioni permanenti, se non ben schermate.

--Fluoruro di calcio (CaF₂):

Il CaF₂ è più conosciuto per le applicazioni nell'ultravioletto profondo (DUV) piuttosto che nel VUV vero e proprio, passando fino a ~125 nm. È estremamente diffuso, relativamente economico e meno sensibile all'umidità rispetto al LiF. Non penetra nel VUV come il LiF o l'MgF₂, ma viene comunque utilizzato in sistemi bilanciati per costi, durata e trasparenza.

Altre sostanze come il fluoruro di bario (BaF₂) e il fluoruro di stronzio (SrF₂) sono presenti in alcuni impieghi, anche se non sono altrettanto desiderabili a causa della maggiore solubilità e reattività verso l'ambiente circostante.

Ulteriori letture: Materiali al fluoro comuni nelle applicazioni industriali

Materiali a film sottile per filtri VUV

Mentre i substrati definiscono il substrato trasparente, i rivestimenti a film sottile definiscono la selettività spettrale dei filtri VUV. La costruzione di stack multistrato efficaci in questa parte dello spettro è notoriamente difficile perché pochi materiali possiedono un basso assorbimento combinato con un elevato contrasto dell'indice di rifrazione.

• Rivestimenti di fluoruro:

I film sottili di MgF₂, LiF e CaF₂ sono generalmente utilizzati come strati a basso indice. Trasferiscono il carattere di trasmissione estesa delle loro controparti sfuse a pile di film sottili per contribuire alla creazione di filtri passa-banda o di bordi.

• Alluminio (Al):

L'alluminio è spesso utilizzato come rivestimento riflettente per gli specchi VUV, ma può anche far parte della progettazione di filtri. Sotto un rivestimento, l'alluminio riflette efficacemente nel VUV, consentendo di realizzare filtri passa-banda a specchio.

• Biossido di silicio (SiO₂):

Per il VUV, il SiO₂ è limitato poiché il suo bordo di assorbimento è di circa 160 nm. Tuttavia, può essere incluso in strutture filtranti ibride nei casi in cui non vi siano requisiti di prestazione nelle lunghezze d'onda più profonde.

La sfida maggiore consiste nel raggiungere un equilibrio tra la qualità del film e il controllo dello spessore dello strato. Qualsiasi piccola variazione di spessore o difetto microstrutturale introdurrà cambiamenti sostanziali nelle curve di trasmissione dei filtri, date le piccole lunghezze d'onda coinvolte. I produttori devono quindi utilizzare apparecchiature di deposizione ad altissimo vuoto e tecniche di monitoraggio avanzate nel tentativo di renderle riproducibili.

Applicazioni che determinano la scelta del materiale

La scelta di utilizzare MgF₂, LiF, CaF₂ o stack di film sottili dipende fortemente dall'applicazione.

• Spettroscopia: Le finestre di taglio più profonde sono richieste dalla spettroscopia di assorbimento VUV. Il LiF è ampiamente utilizzato, con il controllo dell'umidità come unico requisito.
• Litografia dei semiconduttori: Le dimensioni nanometriche delle caratteristiche richiedono l'uso di ottiche ultraviolette estreme (EUV) e VUV. Le finestre in MgF₂ e CaF₂ con film sottili di fluoruro forniscono filtri duri e a basso difetto per questo mercato esigente.
• Astronomia: Gli spettrometri VUV e i telescopi spaziali utilizzano ottiche con rivestimento in MgF₂, dove la trasmissione profonda è abbinata alla stabilità del vuoto a lungo termine.
• Diagnostica del plasma: La capacità dei filtri VUV di isolare le linee di emissione nello studio del plasma è resa possibile dall'uso di MgF₂ e di rivestimenti multistrato pesanti.

Conclusione

La tecnologia dei filtri VUV è direttamente legata alla scienza dei materiali. Poche sostanze - essenzialmente cristalli di fluoruro e film sottili - sono resistenti alle condizioni difficili di questa regione dello spettro.

Il fluoruro di magnesio garantisce durezza e utilizzabilità a lungo termine, il fluoruro di litio consente la massima trasparenza e il fluoruro di calcio offre un mix realisticamente ottimale di costi e prestazioni. Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).