研究高反射涂层对NiTi形状记忆合金（SMA）双相材料的影响，以实现可变形镜的应用

《Optics & Laser Technology》：Investigation of the influence of high reflective coatings on NiTi SMA-bimorph for realization of deformable mirror

　　尼昆杰拜·J·贝达（Nikunjbhai J. Bheda）、苏哈斯·S·乔希（Suhas S. Joshi）和I.A. 帕拉尼（I.A. Palani）
印度理工学院印度奥里分校机械电子与仪器实验室

**摘要**
在自适应光学波前校正中，可变形镜的表面会经历微小的变形，以产生特定的泽尼克模式（Zernike modes）。这些模式用于补偿由大气湍流或光学系统缺陷引起的入射波前的失真。为此，需要开发一种具有高反射率且能够进行可控微驱动的可变形镜结构，以应用于自适应光学系统。此类镜子可以调整由大气湍流引起的像差，从而提高光学信号的质量。在这项研究中，通过将NiTi形状记忆合金（NiTi shape memory alloy）双晶结构与反射涂层结合，制造出了高反射率的可变形镜。首先，使用电子束蒸发法在200微米的Kapton基板上沉积NiTi形状记忆合金薄膜，形成柔性的双晶结构。随后，分别通过热蒸发法沉积铝（Al）、银（Ag）和铜（Cu）涂层，制备出基于Al-NiTi、Ag-NiTi和Cu-NiTi的可变形镜。通过包含焦耳加热效应的电热机械模拟预测了驱动行为，并使用激光位移传感器进行了实验验证。模拟结果显示，当对流系数从100 W/m2·K增加到200 W/m2·K时，NiTi双晶驱动器的形状恢复率从77.7%提高到了93.7%。同样地，将双晶结构的宽度从20毫米减小到10毫米后，由于热反应更快和结构惯性更低，形状恢复率从76.9%提高到了88.9%。润湿性测试表明，与马氏体相的NiTi双晶镜相比，Al-NiTi镜的最大改善率为5.8%。对于近红外（NIR）波段，Al-NiTi镜的反射率为95±1%，Ag-NiTi镜为96±1%，Cu-NiTi镜为98±1%。这些发现展示了基于NiTi的双晶结构结合金属涂层作为自适应光学波前校正反射表面的潜力。

**引言**
形状记忆效应（Shape Memory Effect, SME）发生在形状记忆合金中，表现为母体奥氏体相与低温马氏体相之间的可逆、无扩散的马氏体相变。当温度降至马氏体起始温度（Ms）以下时，晶格会发生以剪切为主的相变，产生多种马氏体变体。在这种马氏体状态下施加机械应力时，这些变体会发生解孪晶和重新定向，使材料能够通过较大的可恢复应变来改变形状。当温度升高至奥氏体起始温度（As）以上时，会触发逆向相变，使晶格恢复到高对称性的奥氏体配置。这种热弹性且可逆的晶格重排实现了原始形状的完全恢复，构成了SME的基本机制。

NiTi形状记忆合金（NiTi shape memory alloys, SMAs）被广泛认为是智能材料，因其可逆的奥氏体-马氏体相变而闻名，这种相变使得材料具备形状记忆效应和伪弹性，具有高可恢复应变以及强烈的驱动能力。它们优异的抗疲劳性、生物相容性和热机械响应性使其适用于自适应、可部署和自调节的工程系统。最近的研究表明，在复合梁中嵌入NiTi层可以显著提高振动阻尼，降低动态幅度，并改善结构稳定性，这得益于合金的固有滞后性和能量耗散特性[1]。4D打印技术的进步突显了形状记忆材料的作用，包括NiTi在开发可重构、可编程和受刺激响应设备中的潜力[2]。尽管研究重点通常是磁性驱动的聚合物，但这些材料也可用于实现软体机器人驱动、生物医学应用机制以及需要随时间控制形状恢复的自适应电子设备[2]。

NiTi薄膜特别适用于微机电系统（Microelectromechanical Systems, MEMS）、微镜（micromirrors）和自适应光学系统[3][4][5]。未经涂层的NiTi薄膜由于存在自然氧化层和表面粗糙度，其反射率较低，限制了其在高性能光学系统中的效果。为了克服这一限制，通常会在NiTi薄膜上涂覆高反射率的金属涂层，如银（Ag）、铝（Al）和铜（Cu）[6]。每种金属都有其独特优势：银在可见光和近红外波段具有优异的反射率；铝重量轻且耐腐蚀，反射性能好；铜虽然容易氧化，但具有良好的热和光学特性。然而，在将这些元素集成到NiTi SMA双晶结构中之前，必须考虑底层SMA层的机械兼容性和热稳定性，因为NiTi在相变过程中会经历显著的微观结构变化。NiTi薄膜通常采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）技术制备，例如溅射、热蒸发和电子束蒸发[5][7][8][9][10][11]。这些方法可以精确控制薄膜厚度和成分，这对于调整相变温度和机械性能至关重要。过去已充分研究过沉积参数（如基片温度、真空压力和功率输入）的影响，这些参数显著影响薄膜的结晶度、晶粒尺寸和残余应力状态[12][13][14]。

通过不同的PVD技术在多种基板上应用了各种NiTi涂层组合，以研究其驱动和反射特性。Karki等人研究了在硅基板上共溅射的NiTi薄膜[15]，通过系统地改变Ni和Ti靶材的功率比来诱导NiTi薄膜的成分变化，从而分析氧杂质含量对薄膜驱动行为、光学反射率和整体特性的影响[15]。另一项研究中，在Si和Si3N4基板上沉积NiTi薄膜，制备了NiTi/Si和NiTi/Si3N4双晶悬臂结构用于制作微镜[16]。Gangwar等人[8]报告了一种灵活的镜面结构，该结构由75微米厚的NiTi和Kapton聚酰亚胺双晶组成，使用焦耳加热实现了出色的反射率和满足要求的驱动性能。这种基于双晶结构的柔性镜面安装在200微米厚的Kapton聚酰亚胺基板上，NiTi薄膜通过电子束沉积在基板上，随后通过热蒸发法分别涂覆Ag、Al或Cu[16]。使用厚200微米的基片进行镜面制作，以限制镜面结构的微米级驱动范围。对于关键的光学应用，由于镜面具有高反射率，因此几乎不需要调整像差补偿。此外，这种可变形镜消除了对外部驱动机制的需求，允许通过其结构直接更高效、更精确地控制光学像差。镜面结构本身在受到焦耳加热时能够产生微米级的驱动。

由于热蒸发方法简单且能够在不使基片过热的情况下沉积高纯度涂层[17]，因此常用于此目的。附着质量显著影响涂层SMA的光学性能和机械可靠性[18]。此外，金属涂层的沉积可能会改变NiTi薄膜的热行为，可能导致相变温度的变化，这对其在驱动器和传感器等应用中的性能至关重要。差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）常用于分析涂层如何影响奥氏体起始温度（As）、奥氏体完成温度（Af）、马氏体起始温度（Ms）和马氏体完成温度（Mf）[19]。为了比较本研究中介绍的SMA基微驱动镜的性能，我们将其行程范围和光学特性与典型的SMA薄膜镜、硅MEMS镜和静电可变形镜进行了对比。静电MEMS可变形镜在高驱动电压下通常提供1–5微米的行程，适用于宽带宽（>1 kHz）的自适应光学应用[20]。相比之下，如CuAlNi或NiTi MEMS器件等SMA薄膜微驱动器由于薄膜几何形状的限制，通常只能产生微米级的驱动[9][21]。

最近关于LPBF（Laser Powder Bed Fusion）制备的NiTi SMA的研究表明，快速凝固和循环热梯度会导致微观结构不均匀性，包括熔池特征、残余应力和相变，这些因素显著影响其性能[22][23][24]。这些微观结构特性与温度依赖性响应密切相关，对于NiTi–Kapton双晶结构尤为重要，因为其驱动、表面反射率和润湿性都受相变控制。所有表征都是使用尺寸为n=3的一致样品集进行的，确保结果的可靠性和可重复性，所有样品均在相同条件下进行测量。

本研究考察了高反射率涂层对NiTi形状记忆合金薄膜双晶结构的结构完整性、热调节和光学性能的影响，目的是确定它们是否适合用作可变形镜。研究了使用反射涂层提高NiTi基智能镜的光学和机械性能，旨在为将其整合到下一代自适应光学系统中制定框架。研究表明，金属涂层可以使NiTi双晶结构更好地反射光线，并影响其对热的响应和移动方式，从而可能提高各种光学应用中的效率和适应性。这些发现为将智能镜技术整合到复杂的自适应光学系统中提供了宝贵见解，尤其是在高精度光学应用中的波前像差校正方面。

**片段说明**
图1(a)和1(c)展示了用于基于真空的沉积和合金制备技术的实验装置的示意图。所采用的物理气相沉积（PVD）系统包括热蒸发和电子束（e-beam）蒸发单元，可以沉积致密且厚度较大的NiTi基薄膜和高反射率金属涂层（如Ag、Al和Cu）。这些方法可提供稳定的沉积厚度和光滑的表面形态。

图6(a)显示了Kapton基板的表面RMS（均方根值），图6(b)显示了铝基板的表面RMS。Kapton具有较低的表面粗糙度，有助于基板与沉积材料之间的良好附着。图6(c)显示了在Kapton聚酰亚胺基板上的NiTi沉积情况。图6(d)显示了铝涂层的NiTi–Kapton双晶结构具有最光滑的表面轮廓。图6(e)和(f)分别显示了银涂层和铜涂层薄膜。

**热膨胀系数**
αn = αM·T < As → ζ?αM + 1
αM + ζ?αA；As < T < Af → αA·T ≥ Af
其中，αn表示任何温度下NiTi薄膜的热膨胀系数（1/K），αM表示马氏体相的热膨胀系数（1/K），αA表示奥氏体相的热膨胀系数（1/K）。

**电导率**
σn = σM·T < As → ζ?σM + 1
αM + ζ?σA；As < T < Af → σA·T ≥ Af
其中，σn表示任何温度下NiTi的电导率（S/m），σM表示马氏体相的电导率（S/m），σA表示奥氏体相的电导率（S/m）。

As和Af的值取自第3.5节中的DSC结果。

电流以分段函数的形式施加到双晶结构的固定端，引发焦耳加热并启动从马氏体到奥氏体的相变。

**结论**
本研究全面分析了通过银（Ag）、铝（Al）和铜（Cu）金属涂层增强的NiTi基可变形镜的反射特性。主要结论如下：
- 铝（Al）、银（Ag）和铜（Cu）涂层显著改善了NiTi SMA双晶镜的光学性能，三种涂层在近红外区域的反射率均达到98±1%。铝在紫外-可见-近红外波段表现出优异的性能，是最有前途的高反射率候选材料。

**作者贡献声明**
尼昆杰拜·J·贝达（Nikunjbhai J. Bheda）：撰写初稿、验证、方法学研究、数据整理、概念构思。
苏哈斯·S·乔希（Suhas S. Joshi）：……
I.A. 帕拉尼（I.A. Palani）：……

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者衷心感谢I.A. 帕拉尼教授和苏哈斯·乔希教授对本研究的宝贵指导、持续支持和鼓励。我们还要感谢印度理工学院印度奥里分校的精密仪器中心（Sophisticated Instrumentation Centre, SIC）和MEMS部门提供的必要设施和资源。本研究得到了印度-台湾合作项目（Indo-Taiwan 2024/IN-TW/12）的财务支持，特此表示感谢。