混合稀土氟化物蒸发材料的并行合成、高通量表征以及掺杂作用的研究

氟化钍是一种光学、力学性能俱优的红外镀膜材料。由于其具有天然放射性，寻找它的替代物是全世界光学薄膜材料科学家多年来苦苦追寻的一个目标。然而，传统的材料研究方式需要耗费大量的时间、人力、材料、能源，且具有偶然性。本项研究旨在应用并行合成与高通量表征的组合材料学方法研究氟化镧、氟化镨、氟化钐和氟化铒四种稀土氟化物与氟化铈、氟化钡、氟化钙、氟化铪、氟化锶及氟化镁六种氟化物所形成混合材料的完整体系，不遗漏地建立材料成分-结构-性能间关系，以期发现环境友好、光谱性能优、膜层应力低，可蒸发性能佳的红外低折射率混合镀膜材料，替代氟化钍，解决航天遥感红外光学窗口宽带增透需要耐恶劣环境变化的长波红外低折射率镀膜材料这一关键技术问题。通过研究碱土金属离子对稀土离子化学态的影响、稀土氟化物与碱土氟化物合成材料的微结构，揭示出掺杂改变稀土氟化物膜层应力状况的机理，为设计混合镀膜材料提供指导。

氟化钍是一种光学、力学性能俱优的红外镀膜材料，但由于其具有天然放射性，寻找它的替代物是全世界光学薄膜材料科学家多年来苦苦追寻的一个目标。合成以稀土氟化物为基础的混合材料是实现无钍镀膜材料的重要途径。然而，传统的材料研究方式需要耗费大量的时间、人力、材料、能源，且具有偶然性。本课题旨在发展一种或几种低折射率的混合稀土氟化物蒸发镀膜材料以替代氟化钍，应用并行合成与高通量表征的组合材料学方法系统地研究了氟化镧、氟化镨、氟化钐和氟化铒四种稀土氟化物与氟化铈、氟化钡、氟化钙、氟化锶和氟化镁五种氟化物所形成混合材料的完整体系，不遗漏地建立了材料成分—结构—性能之间的关系。研究发现氟化镧、氟化镨、氟化钐和氟化铒等四种稀土氟化物与氟化钡所形成的混合材料体系同时具有最优的光学性能和力学性能，混合稀土氟化物薄膜应力与S. F. Pellicori所提出的随着所掺入氟化物金属离子半径减小呈现增加的规律不相符合，并根据晶粒边界（Grain boundries）模型提出了氟化钡在稀土氟化物母体晶粒间的团聚有效降低稀土氟化物膜层应力的机理。在研究基础上成功合成了Thfree1、Thfree2、Thfree3和Thfree4四种环境友好、膜层应力低、可蒸发性能佳的红外低折射率材料。研究结果表明Thfree1和Thfree2混合镀膜材料膜层的光学性能明显优于国外Umicore Thin Film Products的专利产品IR-F625，以及目前在航天遥感红外光学窗口宽带增透中所使用的Umicore Thin Film Products生产的氟化镱（YbF3），并达到了航天遥感工程实际应用中所需要的耐恶劣环境变化的可靠性和环境耐受性。使用Thfree1和Thfree2所研制的红外宽带增透产品性能已接近国外使用氟化钍镀膜材料的产品，为保证环境安全性的同时，解决航天遥感红外光学窗口宽带增透需要耐恶劣环境变化的长波红外低折射率镀膜材料这一关键技术问题，发展我国具有独立知识产权的红外镀膜材料以替代价格昂贵的进口材料奠定了基础。