Первым исследованием, показавшим возможность использования интерференционных многослойных покрытий для снижения отраже­ния от поверхности металла в широком спектральном интервале, является работа [45]. Прежде всего в этой работе выясня­ется, возможно ли с помощью прозрачной интерференционной пленки снизить отражение от металла до нуля хотя бы в узком спектральном интервале. Очевидно, что формула для расчета показателя преломления пленки пи максимально снижающей от­ражение ОТ просветляемой поверхности (^ = (п0П2У’г, где н0 — показатель преломления окружающей среды, п2 — показатель преломления подложки), не подходит в данном случае, так как не учитывает поглощения в металле, на который наносится пленка. Формула Hj = (п0п2)’1г, как известно, выводится из условия, что лучи, отражаемые от границы воздух — просветляющая пленка и от границы просветляющая пленка —подложка, должны быть рав­ными по интенсивности.

Амплитудные коэффициенты отражения (с учетом поглощения в подложке), определяющие интенсивность отраженных лучей на границах раздела, соответственно равны

г_____ 1 — п „ і »1 — (,;2 — Іку)

0 1 + п1 1 "l + ("2 — ’

где п2 — ik2 — комплексный показатель преломления металла. Из условия | /о | — [ /і | в работе [45] получена формула, позво-

5 .11. М. Колтун

ляющая рассчитать показатель преломления оптимальной про­зрачной интерференционной пленки для просветления металлов:

Таким образом, зная показатели преломления п2 и поглощения к2 металла, можно по формуле (3.4) выбрать для него оптимальную просветляющую пленку. Условия для расчета оптимальной опти­ческой толщины d пленки на металле остаются, по мнению авторов [45], такими же, как в случае непоглощающнх подложек: для оп­ределенного значения X при d =-■ Х/А отражение достигает мини­мальной величины, при d — Х/2 — максимальной, что, как дока­зано в 1.7, не всегда верно.

Расчет по формуле 3.4 показал, что для подложек из алюминия (пАі = 0,76 и /сА1 = 5,49 при X = 0,546 мкм) нулевого отражения вообще нельзя достигнуть с помощью однослойного просветляющего покрытия; для родия (nRii — 1,62 и A;Rh — 4,63 при X = 0,546 мкм) пулевое отражение может быть получено с помощью пленки с п = 6. Поскольку неизвестны прозрачные пленочные материалы со столь высоким показателем преломления, нулевого отражения даже для родия практически невозможно достичь при нанесении однослойного прозрачного просветляющего покрытия. Из извест­ных до сих пор пленочных прозрачных покрытий наибольший по­казатель преломления имеет TiO., со структурой рутила (нтю, — = 2,75), образуемая при окислении па воздухе при 400—450° С предварительно нанесенной испарением в очень высоком вакууме пленки спектрально чистого титана [130]. Как показывает расчет, такая пленка может снизить отражение до нуля от поверхности металла со сравнительно низкими значениями щ и к2, например титана («ті = 2,4 и /сТІ = 3,0 при X = 0,546 мкм), что оправдалосьна практике [45, 107]. Для того чтобы иметь возможность оценить, насколько можно снизить отражение от таких высокоотражающих металлов, как алюминий, с помощью реальных просветляющих покрытий был проведен расчет коэффициента отражения алюминия и родия при X = 0,546 мкм в зависимости от показателя преломле­ния наносимого покрытия [45]. Расчет проводился по приведен­ным в главе 1 рекуррентным соотношениям.

Полученные зависимости R (п^) при X — 0,546 мкм приведены на рис. 3.7, из которого видно, что чем выше показатель преломле­ния просветляющей пленки, тем меньше коэффициент отражения металла.

Необходимо отметить, что определенная в работе [45] зависи­мость R (пj) не противоречит результатам расчетов работы [118], где была получена обратная зависимость для покрытий II группы: чем меньше показатель преломления полупроводникового пленоч-

РИС. 3.7. Зависимости коэффициента отражения алюминия (1,3) и родия (2, 4) при к = 0,546 мкм от показателя преломления прозрачной диэлектриче­ской пленки ей — к/2 (1, 2) и d = А/4 (•?, 4)

РИС. 3.8. Спектральные зависимости коэффициента отражения систем 1 — А1 + пленка Si; 2 — Ag — f PbS (ірьд = 340 А) ного покрытия на металле, тем меньше суммарный коэффициент отражения такой поверхности.

Данное кажущееся противоречие имеет простое физическое объяснение. В случае прозрачных интерференционных покрытий, чем больше показатель преломления пленки, тем меньше отра­жение на границе раздела пленка—металл (по формуле Френеля оно тем меньше, чем меньше разность в показателях преломления граничащих сред). При этом увеличение в определенных пределах коэффициента отражения на границе раздела воздух—пленка создает возможность более точного совпадения по интенсивности отраженных лучей от обеих границ раздела (воздух—пленка и пленка—металл), что ведет к увеличению эффективности про­светляющего действия пленки.

В случае же непрозрачных селективных покрытий II группы, лучи, отраженные от границы раздела пленка—металл, погло­щаются пленкой, так как она имеет значительно большую тол­щину, чем интерференционные покрытия, а также обладает замет­ным поглощением. В силу этого коэффициент отражения системы в целом определяется в основном отражением на границе раздела пленка—воздух, и оно тем меньше, чем меньше показатель пре­ломления пленки.

Как видно из расчета просветляющего покрытия для алюминия и родия, применение для снижения отражения известных про­зрачных покрытий с показателем преломления от 1,38 (MgF2) до 2,75 (ТЮ2) малоэффективно даже для оптимальной длины волны падающего излучения.

Проанализировав полученные результаты, авторы работы [45] предложили весьма перспективное направление снижения отра­жения от металлов—использование интерференционных пленок не абсолютно прозрачных, как при просветлении оптических мате­риалов, а частично поглощающих. За счет некоторого ослабления в слое такой пленки интенсивность лучей, отраженных от грани­цы пленка—металл, становится равной интенсивности лучей, отраженных от границы воздух—пленка, и интерференционный эффект снижения отражения резко усиливается. В качестве таких, частично поглощающих слоев, могут быть использованы полупро­водниковые пленки, например, германия, кремния или сульфида свинца с d ~ Я. тах/4, где Хтах — длина волны, соответствующая максимуму спектрального распределения энергии Солнца. На рис. 3.8 показаны полученная расчетным путем кривая отражения полированного серебра с пленкой PbS (npbs = 4,1, дисперсия не учитывалась; ZPbS = 340 А) [118] и кривая отражения поли­рованного алюминия, покрытого интерференционной пленкой кремния, дающей Лт1п при X = 0,55 [45]. В работе [131] расчет­ным путем показано, что оптическая система PbS на полированном алюминии, покрытом пленкой поликристаллического алюминия с I ж 0,1 мкм, позволяет получить отношение ас/є ж 43 — т — 60, что, однако, требует тщательной экспериментальной проверки.

Кроме полупроводниковых материалов, для получения частич­но поглощающих интерференционных слоев можно использовать диэлектрические пленки, содержащие низший окисел и металл, вошедшие в состав пленки в процессе испарения. Более низкий показатель преломления, приводящий к меньшему коэффициенту отражения на границе воздух—покрытие при значительном по­глощении света внутри слоя за счет повышенного коэффициента поглощения, является преимуществом покрытий данного типа. Примером такого покрытия являются пленки из частично разло­женного ТЮ2, получаемые испарением в высоком вакууме и обозна­чаемые формулой ТЮЯ, так как стехиометрия ТЮ2 здесь наруша­ется в сторону увеличения содержания титана.

Па рис. 3.9 [45] кривая 1 показывает отражение алюминия с нанесенным слоем ТЮХ. После окисления слоя ТЮЖ при нагре­вании па воздухе или в результате анодной электрохимической обработки, после которых ТЮ* превращается в ТЮа со структу­рой анатаза с показателем преломления п = 2,45, отражение от алюминия с покрытием уже характеризуется кривой 2. Из рис. 3.9 наглядно видно, насколько резко уменьшается отражение даже от такого высокоотражающего металла, как алюминий, после нанесе­ния частично поглощающего интерференционного слоя ТЮЖ по сравнению с прозрачным слоем ТЮ2. Эффективность просветляю­щего действия слоя ТЮ2 на алюминии (R ~ 60% при X = 0,6 мкм) хорошо совпадает с расчетным значением коэффициента отражения

РИС. 3.9. Спектральные зависимости коэффициента отражения систем 1 — А1 4- плоика ТіОд.; 2 — А1 + пленка TiO.

J — Au + Gc + SiO; 2 — Си + Ge + SiO; 3 — А1 + С. е + SiO

РИС. З. Н. Спектральные за­висимости коэффициента отра­жения систем (dGe = dSi 0 = = Я/4 при к = 0.55 мкм)

1 — AJ 4- Ge 4- SiO; 2 — А1 + + SiO + А1 4- SiO алюминия при X — 0,546 мкм после нанесения просветляющего слоя с и = 2,45 и d = Я/4 (см. кривую 3 на рис. 3.7).

Еще одним методом создания частично поглощающего интер­ференционного слоя является нанесение на диэлектрическую про­зрачную пленку, например из SiO. полупрозрачной пленки метал­ла, например алюминия. Получается слой, снижающий отражение от металлической подложки как благодаря интерференционным эффектам, так п за счет частичного поглощения в тонкой верхней металлической пленке.

Однако одного такого слоя — полупроводникового, частично разложенного диэлектрического или диэлектрического с верхней полупрозрачной металлической пленкой — явно недостаточно, чтобы снизить отражение в широком спектральном интервале,
что хорошо видно из рис. 3.7—3.9. В связи с этим авторы работы [45] предлагают наносить поверх этого слоя еще одну просветляю­щую пленку из прозрачного диэлектрического материала, напри­мер SiO с d = Яті, і/4. После нанесения такой двух — или трехслой­ной системы пленок отражение от металла снижается почти во всей видимой области спектра, оставаясь высоким в инфракрасной об­ласти спектра (рис. 3.10).

Наиболее удачной для этой цели авторы работы [45] считают систему пленок SiO + А1 — j — SiO на полированном алюминии (рис. 3.11); толщина полупрозрачной пленки алюминия в этом трехслойном покрытии не указывается.

В работе [45] описаны покрытия, разработанные для уменьше­ния рассеянного видимого света в аппаратуре, предназначенной для регистрации и обнаружения инфракрасного излучения. Лишь много позднее аналогичная оптическая система многослойного интерференционного черного зеркала была положена в основу разработки селективных покрытий для космических аппаратов и гелиотехнических устройств. Изменения, которые при этом были внесены в схему покрытия [45], наиболее подробно описаны в ра­боте [41], где приведены также значения ас и є для описанных в работе [45] покрытий. Так, для покрытия Ge + SiO на алюминии ас = 0,75 и е = 0,04. Кроме невысокого значения ас, недостатком этой системы является низкая термостойкость: кратковременный прогрев при 200° С привел к возрастанию коэффициента отражения в видимой области спектра до 20%, часовой нагрев при 320° С — до 65%. Авторы объясняют это диффузией алюминия в пленку гер­мания. После введения между алюминием и германием пленки никеля толщиной 10—20 А (не влияющей на оптические свойства системы) покрытие стало выдерживать нагрев выше 400° С. Кроме известных уже покрытий SiO — j — А1 + SiO на алюминии, описаны покрытия SiO + Сг + SiO, однако указано, что их термостойкость не превышает 450° С. Для работы при более высокой температурь предлагаются покрытия Si02 + Pt — f — Si02 на платиновой подлож­ке и А1203 + Мо + А1203 на молибденовой подложке [132]. Первая из систем (на платине) выдержала без изменения характе­ристик (ас = 0,88, е = 0,05) одночасовой нагрев при 600° С; вторая система (на молибдене) также имеет достаточную стабиль­ность при 530° С в вакууме (ас = 0,83, є = 0,11).

В работе [104], описывающей характеристики солнечных тер­могенераторов, разработанных в США для использования в кос­мосе, указаны достигнутые с помощью интерференционных покры­тий на основе пленок алюминия и моноокиси кремния оптические параметры коллекторных поверхностей термогенераторов ас = = 0,82, є = 0,08 при 150° С.

Интересна предложенная в работах [133, 134] методика созда­ния частично поглощающих интерференционных селективных по­крытий: катодным распылением на стекло наносится высокоотра* жающая пленка меди, а поверх нее реактивным распылением в сре­де аргона и метана — слой, состоящий пз смеси карбидов хромаї железа, молибдена, никеля, тантала, вольфрама. Получены ас = — 0,75 — г — 0,8, є = 0,02 (при 27° С) и 0,00 (при 600° С). Покрытия прочно связаны со стеклом и успешно выдержали нагрев до 400° С в течение 120 ч, однако при повышении температуры до 500° С рез­ко ухудшили оптические характеристики и отслоились от стекла.

Для придания поверхностям селективных оптических свойств в настоящее время используются самые разнообразные способы. В качестве примера можно указать на методы создания микро­пористых поверхностей, характеристики которых подробно рассмот­рены в работе [135]. Один из приемов, предлагаемых для этой цели, — выбор для материала коллекторной пластины сплава (30 мае. % Ni, 70 мас. % А1), на поверхности которого селектив­ным вытравливанием алюминия создаются ямкн диаметром 50— 200 мкм. В результате травления ас такой пластины возрастает с 0,5 до 0,97, однако и є увеличивается с 0,1 до 0,7. Причина та­кого резкого роста обоих интегральных коэффициентов состоит, скорее всего, в том, что нарушения на протравленной поверхности слишком велики и поверхность является шероховатой, диффузно рассеивающей как для видимого, так и для инфракрасного излу­чения. Более эффективен другой способ — вдавливание путем про­катки в поверхность полированного золота частиц карбонильного железа диаметром 3—5 мкм с вытравливанием их затем в концен­трированной азотной кислоте. После создания таким путем наруше­ний глубиной 3—5 мкм коэффициент ас повышается с 0,2 до 0,4, а є — с 0,04 лишь до 0,06 [135].

Простой способ придания селективности медным и алюминие­вым поверхностям путем шлифовки мпкроабразивом подробно опи­сан в работе [136].

Такие приемы не могут служить самостоятельным средством для получения необходимой селективности оптических свойств, однако они способны, на наш взгляд, привести к значительному улучшению свойств селективных покрытий, наносимых затем на такую микропористую поверхность.

В настоящее время в связи с усилением внимания к работам в области солнечной энергетики успешно разрабатываются самые разнообразные методы нанесения покрытий, в частности парога­зовый [137], электрохимический 1138], вакуумный [139], термооб­работкой в увлажненном водороде при высокой температуре [140], реактивным распылением в газе [141]. Эти исследования пресле­дуют цель создания покрытий, не только обладающих высоким отношением ас/е, но и сохраняющих свои оптические характери­стики неизменными при высокой температуре вплоть до 500— 700° С.

Проведенная нами систематизация типов селективных покры­тия и способов их получения помогает представить основные на­правления исследований в этой области и наметить пути получения селективных коллекторных поверхностей, максимально удовлет­воряющих как оптическим, так и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к гелиоустановкам, предназначенным для рабо­ты в южных районах нашей страны и на космических аппаратах.