Materiais críticos para filtro ultravioleta a vácuo (VUV)

A óptica ultravioleta a vácuo (VUV) ocupa um nicho pequeno, mas em rápida expansão, na fotônica moderna. Discutiremos os materiais essenciais que encontram aplicação em filtros VUV, incluindo revestimentos de película fina e substratos de janela em massa. Esperamos que você possa compreender melhor como a seleção do material tem um impacto direto no desempenho do filtro e na confiabilidade a longo prazo.

O desafio da transparência VUV

Antes de falar sobre os materiais, é preciso mencionar por que a óptica VUV é tão difícil. Para a maioria dos materiais nessa faixa de comprimento de onda, as transições eletrônicas estão tão próximas da energia do fóton da radiação VUV que há uma forte absorção. Somente em alguns fluoretos cristalinos e em alguns revestimentos é possível transmitir de forma realista até 120 nm ou menos. Ao mesmo tempo, esses materiais precisam ser resistentes à radiação de alta energia, à exposição potencial a condições reativas e ao ciclo térmico em sistemas ópticos de alta potência. Assim, o campo se torna um conjunto limitado de candidatos.

Cristais de flúor como substratos de janela

Entre os materiais de janela em massa, os fluoretos de alcalino-terroso e halogeneto alcalino são dominantes. Eles têm bandgaps amplos que lhes permitem transmitir bem em VUV, mas oferecem propriedades físicas e mecânicas relativamente estáveis.

--Fluoreto de magnésio (MgF₂):

O MgF₂ é um dos materiais de janela VUV mais amplamente usados. Ele é transmitido até cerca de 115 nm e pode ser utilizado na maioria dos sistemas de espectroscopia e litografia. O MgF₂ tem força mecânica adequada e resistência à umidade, o que o torna mais robusto em comparação com outros cristais de fluoreto. Seu índice de refração relativamente moderado também simplifica o design do revestimento antirreflexo.

--Fluoreto de lítio (LiF):

O LiF amplia a transmissão até quase 105 nm e é ideal para aplicações VUV extremas. No entanto, ele é higroscópico, absorve água com facilidade e se deteriora em temperaturas úmidas. O LiF é mais macio e mais frágil do que o MgF₂ e não é ideal para ambientes agressivos ou instalações permanentes, exceto quando bem protegido.

--Fluoreto de cálcio (CaF₂):

O CaF₂ é mais conhecido por sua aplicação em ultravioleta profundo (DUV) do que em VUV verdadeiro, passando até ~125 nm. É extremamente predominante, relativamente barato e menos sensível à umidade do que o LiF. Ele não penetra tanto no VUV quanto o LiF ou o MgF₂, mas ainda é usado em sistemas com custo, durabilidade e transparência equilibrados.

Outras substâncias, como o fluoreto de bário (BaF₂) e o fluoreto de estrôncio (SrF₂), também ocorrem em determinados usos, embora não sejam tão desejáveis, com maior solubilidade e reatividade com o ambiente.

Leia mais: Materiais comuns de fluoreto em aplicações industriais

Materiais de filme fino para filtros VUV

Enquanto os substratos definem o substrato transparente, os revestimentos de película fina definem a seletividade espectral dos filtros VUV. A construção de pilhas eficazes de multicamadas nessa parte do espectro é notoriamente difícil porque poucos materiais possuem baixa absorção combinada com alto contraste de índice de refração.

• Revestimentos de fluoreto:

Os filmes finos de MgF₂, LiF e CaF₂ são geralmente usados como camadas de baixo índice. Eles transferem o caráter de transmissão estendida de suas contrapartes em massa para pilhas de filmes finos para ajudar a criar filtros de banda passante ou de borda.

• Alumínio (Al):

O alumínio é frequentemente utilizado como revestimento reflexivo para espelhos VUV, mas também pode fazer parte do projeto do filtro. Sob um revestimento, o Al é eficaz na reflexão de VUV, permitindo a criação de filtros passa-banda baseados em espelhos.

• Dióxido de silício (SiO₂):

Para o VUV, o SiO₂ é limitado, pois sua borda de absorção está em torno de 160 nm. Ainda assim, ele pode ser incluído em estruturas de filtros híbridos nos casos em que não há requisitos de desempenho para os comprimentos de onda mais profundos.

O maior desafio é alcançar o equilíbrio entre a qualidade do filme e o controle da espessura da camada. Quaisquer pequenas variações de espessura ou defeitos microestruturais introduzirão mudanças substanciais nas curvas de transmissão do filtro, considerando os pequenos comprimentos de onda envolvidos. Os fabricantes devem, portanto, usar equipamentos de deposição a vácuo ultra-alto e técnicas avançadas de monitoramento na tentativa de torná-los reprodutíveis.

Aplicações que determinam a escolha do material

A escolha de usar MgF₂, LiF, CaF₂ ou pilhas de filmes finos depende muito da aplicação.

• Espectroscopia: As janelas de corte mais profundas são exigidas pela espectroscopia de absorção VUV. O LiF é amplamente utilizado, sendo o controle da umidade o único requisito.
• Litografia de semicondutores: Os tamanhos de recursos nanométricos exigem o uso de óptica de ultravioleta extremo (EUV) e VUV. As janelas de MgF₂ e CaF₂ com filmes finos de fluoreto fornecem filtros rígidos e com poucos defeitos para esse mercado exigente.
• Astronomia: Espectrômetros VUV e telescópios espaciais utilizam óptica revestida com MgF₂, onde a transmissão profunda é combinada com a estabilidade do vácuo a longo prazo.
• Diagnóstico de plasma: A capacidade dos filtros VUV de isolar as linhas de emissão ao estudar o plasma é possível graças ao uso de MgF₂ e de revestimentos multicamadas pesados.

Conclusão

A tecnologia dos filtros VUV está diretamente ligada à ciência dos materiais. Poucas substâncias - essencialmente cristais de fluoreto e filmes finos - são resistentes às condições adversas dessa região do espectro.

O fluoreto de magnésio oferece dureza e facilidade de uso a longo prazo, o fluoreto de lítio permite o máximo de transparência e o fluoreto de cálcio oferece uma combinação realisticamente ideal de custo e desempenho. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).