第十三届全国青年表面工程学术会议

331 / 2021-05-10 10:44:33

氧化钒相变薄膜的制备及中红外光学性能调控研究

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    随着激光干扰与致盲武器的迅速发展，寻找一种适用于激光防护的新型材料，保护军事人员和各种光电探测系统不受打击，已成为亟需解决的重要问题。热致变色薄膜由于具有瞬时高温特性，可实现强光照射时具有低透过率，保护探测器不受损伤，弱光照射时具有高透过率，不影响探测器接收信号。

    二氧化钒（VO₂）作为一种典型的热致变色材料，在 68 ℃可发生半导体-金属相转变（MIT），随着相变的发生，其光学电学性质会发生明显的可逆变化，是应用于红外探测器热敏元件、激光防护材料、太赫兹调制器、光电开关的理想半导体材料。与其它激光防护材料相比，VO₂ 具有防护波段宽，制备成本低，性能稳定等优点，是智能激光防护材料的研究热点，在航空航天领域有着广泛的应用潜力。要实现 VO₂ 薄膜在防护系统中的实用性，制备高质量的 VO₂ 薄膜及其电学、光学测试技术显得十分关键。作为过渡金属元素，钒可以和氧结合形成以 V_xO_y 状态存在的多种氧化物，钒氧体系自身的这种多元性导致 VO₂ 薄膜的制备及光开关性能调控比较困难。此外，由于 VO₂ 薄膜的相变响应时间及相变恢复时间是决定其在光开关器件、激光防护等方面应用的关键，而用于激光防护性能测试的光学平台系统的搭建也比较复杂，国内尚无标准的检测平台或手段，这也大幅增加了对材料光学性能考核评价的难度。

    本文采用先进的磁控溅射技术和最优的退火工艺条件，在蓝宝石衬底上制备了具有相变特性的高质量 VO₂ 薄膜，研究其在中红外光学的调制性能，并对氧化钒薄膜不同价态间转换对性能的影响进行了实时监控，研究 VO₂ 薄膜的相变机理。实验测试了 VO₂ 薄膜相变过程中的光学性能变化，制得的薄膜具有优异的光学调制性能。同时利用泵浦-探测技术分析 VO₂ 薄膜在中红外波段的光致相变特性，其中泵浦光波长 800 nm，探测光波长 3-5 μm。通过改变泵浦激光能量密度和重频，分析了 VO₂ 薄膜在飞秒激光下的相变响应速度和相变恢复时间。