TVA Tekniği ile Mineral Gözlük Camları Üzerine Tek Katmanlı ZrO 2

Kaplanması

ZrO₂, anti – refle kaplama maddesi olarak optik sanayinde de sıkça kullanılan malzemelerden biridir. Kaplandığı gözlük camının yansıma değerini azaltarak gözlük kullanıcısının daha net bir görüşe sahip olmasını sağlar. Bu çalışmada, sanayideki tekniklerden farklı olarak Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü’nde, Plazma Fiziği ve Teknolojileri Araştırma Laboratuvarları’nda bulunan Termiyonik Vakum Ark tekniği geliştirilerek, mineral gözlük camları üzerine tek katmanlı ZrO2 kaplanarak bazı fiziksel özellikleri incelenmiştir.

Deney öncesinde, gözlük camları önce saf su, daha sonra alkol ve son olarak yine saf su ile Ultrasonik Temizleme Cihazında her bir işlem için 5’er dakika yıkanmıştır. Kaplamanın kaliteli olabilmesi için kaplanacak gözlük camlarının üzeri ıslaklıktan, su buharından arındırılmış ve tamamen kuru olmalıdır, bu nedenle temizlenen gözlük camları 30 dakika kurumaya bırakılmıştır. Tamamen kuruyan gözlük camları steril bir şekilde TVA sisteminin vakum odası içine yerleştirilmiştir. TVA siteminde gözlük camları üzerine ZrO2 kaplamak için malzeme tutucu pota (anot) olarak tungsten pota kullanılmıştır. Elektron tabancasının ucuna 0,5 mm’lik tungsten tel filament (katot) olarak yerleştirilmiş ve pota içerisine ZrO₂ konularak sistem kapatılmıştır. Elektron tabancasının ucuna yerleştirilen tungsten filament, şekil 6.6’da gösterilmiştir. 10^–5 Torr’a kadar vakumlanan sistemimizin içine ilk önce gaz girişinden argon gazı verilerek argon gazının plazması oluşturulmuş ve gözlük camları argon gazı plazması ile tozlaştırılmıştır. Daha sonra deşarj oluşturulmuştur. Oluşan deşarjın şematik gösterimi şekil 6.7.’de verilmiştir.

Şekil 6.6. Tungsten filamentin fotoğrafı.

Şekil 6.7. TVA’da oluşan deşarjın şematik gösterimi (Balbağ, 2009).

TVA’da deşarj ile ZrO2’nin plazması oluşturulmuş ve sistem içerisindeki dönen gözlük camı tutucusu üzerindeki gözlük camlarının yüzeyine tutunması sağlanmıştır.

Böylece mineral gözlük camları üzerine tek katmanlı ZrO2 kaplanmıştır. Deneyde uygulanan çalışma parametreleri çizelge 6.1.’de verilmiştir. Şekil 6.8’de deney sonrası potadan alınan ZrO2’nin fotoğrafı görülmektedir.

Anot

Buharlaşan anot metali atomları Elektron

Katot

HV

Çizelge 6.1. Deneyde uygulanan çalışma parametreleri

Sembol Değer Birim

Filament akımı If 19,5 Amper

Uygulanan voltaj U 2000 Volt

Ark akımı I_ark 200x10^–3 Amper

Basınç P 3x10^–5 Torr

Zaman t 30 Saniye

Şekil 6.8. Deney sonrası ZrO2’nin fotoğrafı.

Çizelge 6.2. ZrO2’nin termal iletkenlik, buhar basıncı ve erime sıcaklığı değerleri.

Termal iletkenlik Buhar Basıncı Erime

Sıcaklığı 1.8–2.2 (W/m.°K) 8x10^–12 Torr (1371 °C’de) 2715 °C

Literatüre göre, TVA plazması üretmek için materyallerin buhar basıncı ve erime sıcaklığı değerleri önemli bir parametredir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda bu değerlerin yanında malzemelerin termal iletkenliklerinin de önemli bir etken olduğu sonucuna varılmıştır. ZrO₂’nin termal iletkenlik değeri (http://www.azom.com/details.asp?articleid=133) adresinden, buhar basıncı değeri de (http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=3088) adresinden alınmıştır. ZrO₂’nin termal iletkenlik, buhar basıncı ve erime sıcaklığı değerleri çizelge 6.2’de verilmiştir.

ZrO₂ ile kaplanan gözlük camlarının optik özelliklerini belirlemek için önce oda sıcaklığındaki optik geçirgenlikleri ölçülmektedir. Bu ölçümler 400 – 800 nm dalga boyu aralığında Perkin-Elmer UV/VIS Lamda 2S Spektrometresi ile yapılmaktadır. UV spektrum ölçümleri alınan ZrO2 kaplı gözlük camlarının geçirgenlik sonuçları şekil

Şekil 6.9. Tek katmanlı ZrO2 kaplı mineral gözlük camlarının optik geçirgenlik spektrumu.

Tek katmanlı ZrO2 kaplı mineral gözlük camlarının 520 – 800 nm aralığında optik geçirgenliğinin kaplanmamış mineral gözlük camın geçirgenliğine göre daha yüksek olduğu yukarıdaki grafikten görülmektedir. Anti – refle kaplamalarda elde edilmek istenen yüksek geçirgenlik hedefine tek katmanlı ZrO2 kaplama ile ulaşılmıştır.

ZrO₂ kaplı camların kalınlık, kırılma indisi ve yansıma ölçümleri Filmetrics F20 kalınlık ölçüm sisteminde ölçülmüştür. Bu ölçümlerin sonucunda camların üzerindeki kaplamanın kalınlığının ortalama 82 nm olduğu görülmüştür. Kaplı camların ortalama kırılma indisi değeri ise 550 nm’de 1,78 olarak ölçülmüştür. Çizelge 6.3’de tek katmanlı ZrO₂ ile kaplanan mineral gözlük camlarının ortalama kalınlık, kırılma indisi ve yansıma değerleri verilmektedir.

Çizelge 6.3. Tek katmanlı ZrO2 kaplı mineral gözlük camlarının ortalama kalınlık, kırılma indisi ve yansıma değerleri.

Kalınlık Kırılma Đndisi Yansıma

82 nm 1,78 0,046

Şekil 6.10. Tek katmanlı ZrO2 kaplı mineral gözlük camlarının kırılma indisi değerleri.

400 – 800 nm aralığında Tek katmanlı ZrO₂ kaplı mineral gözlük camlarının kırılma indisinin değişimi şekil 6.10’da gösterilmiştir. Bu sonuçlara göre, kırılma indisi değerinin dalgaboyunun artmasıyla azaldığı görülmektedir.

0,0300

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Dalgaboyu (nm)

Yansıma

Şekil 6.11. ZrO₂ kaplı camların yansıma değerleri.

Şekil 6.11’de verilen grafikten, ZrO₂ kaplı mineral gözlük camlarının yansıma değerlerinin oldukça küçük olduğu ve dalgaboyunun azalması ile daha da küçüldüğü görülmektedir. ZrO₂, üzerine kaplandığı gözlük camına yüksek geçirgenlik ve düşük yansıtıcılık özelliği kazandırmıştır, böylece ZrO2 kaplı mineral gözlük camları anti – refle özelliği kazanmıştır.

Ayrıca literatürde ışığın yansımasını veren bağıntı da (6.1)’de verilmiştir.

( )

kaplanan mineral gözlük camlarının AFM görüntüleri gösterilmiştir. Görüntülerden görülebileceği gibi kaplanan gözlük camları oldukça homojen yapıdadır. Yüzey pürüzlülükleri oldukça düşüktür.

Şekil 6.12. Tek katmanlı ZrO₂ ile kaplanan mineral gözlük camlarının AFM görüntüsü (800 nm *800 nm)

Şekil 6.13. Tek katmanlı ZrO2 ile kaplanan mineral gözlük camlarının 3 boyutlu AFM görüntüsü (800 nm *800 nm)

Ayrıca Jeol SEM cihazında tek katmanlı ZrO₂ ile kaplanan mineral gözlük camlarının SEM görüntüleri alınmıştır. Şekil 6.14’de görüleceği gibi kaplanan gözlük camlarının yüzeyi oldukça pürüzsüzdür.

Şekil 6.14. Tek katmanlı ZrO2 ile kaplanan mineral gözlük camlarının 2000 büyütmede SEM görüntüsü.