PcNi_VO_2复合膜相变光谱特性研究

第27卷,第10期 光谱学与光谱分析Vol 127,No 110,pp193321935

2007年10月 Spectroscopy and Spectral Analysis October ,2007　

Pc Ni 2V O 2复合膜相变光谱特性研究

袁宏韬1,2,冯克成3,张先徽3

11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春　13003321中国科学院研究生院,北京　100039

31长春理工大学理学院光学物理系,吉林长春　130022

摘　要　采用射频磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上沉积了高品质的VO 2薄膜,并在其上旋涂了酞菁镍

[C 8H 17O ]8PcNi 薄膜。通过XRD 研究了VO 2薄膜的微结构。利用红外光谱仪观察了PcNi/VO 2复合膜相变前后光学性质的改变,发现PcNi 膜在115～515μm 对VO 2膜有增透作用,PcNi/VO 2复合膜相对于VO 2膜的热色性和相变温度都没有改变。预期PcNi/VO 2膜比单一PcNi 膜和VO 2膜的光限幅能力会更强。关键词　二氧化钒薄膜;酞菁;相变;光学性质中图分类号:O436;TQ135 文献标识码:A 文章编号:100020593(2007)1021933203

　收稿日期:2006203228,修订日期:2006206228

　基金项目:国家自然科学基金项目(50072045)资助

　作者简介:袁宏韬,1978年生,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在读博士研究生　e 2mail :laogun505@sohu 1com

引　言

热色物质能依据温度可逆改变它们的光学性质,二氧化

钒(VO 2)就是突出的热色物之一。VO 2晶体在临界温度(68

℃

)经历由半导体到导体的相变,会使其晶形从单斜结构转变为四方结构,同时伴随着很大的电阻变化和光学性质变化(从红外透射到红外反射)。因此VO 2是制备红外尤其是中红外波段激光限幅器的优良材料[1,2],同时在智能玻璃[3],温度传感器

[4]

,光学开关

[5]

,亚毫米波辐射的调制器和起偏

器[6],光学数据存储介质[7],可变反射率镜[8]等方面也得到广泛的应用。

由于复杂的V —O 结构系统,很难制备出单相的VO 2

薄膜[9],在大多数沉积条件下通常会生成多晶膜。多晶膜会降低VO 2相变时电学和光学特性改变的锐度,也会在升温和降温过程中得到不理想的热滞回线。相反,单晶VO 2薄膜就表现出很敏锐的电学和光学性质改变且热滞回线窄。因此,制备出单晶VO 2薄膜对获得良好的相变和光限幅特性尤为重要。

在结晶衬底上(如蓝宝石)沉积的VO 2薄膜,相变前后

VO 2薄膜的电阻会改变4～5个数量级,而在无定型衬底上(如玻璃),只会改变2～3个数量级[10]。而且,蓝宝石对中

红外波段光有良好的透射性,便于观察VO 2薄膜在中红外波段相变前后的光谱透射特性的变化。

金属酞菁是一类重要的非线性光学材料,其特点是具有较大的非共振三阶极化率、内在的快速响应和良好的化学和

热稳定性,也在光限幅方面显示出很好的应用前景[11]。据资料查询,目前还没有在二氧化钒薄膜上加镀金属酞菁薄膜制备金属酞菁/二氧化钒复合膜,并对其相变和光限幅特性进行测试和研究的报道。

本文实验中,用射频磁控溅射的方法在(0001)取向的α2Al 2O 3蓝宝石衬底上沉积了单晶VO 2薄膜,并在此基础上旋涂[C 8H 17O ]8PcNi (酞菁镍)薄膜。用XRD 研究了其微结构,观察了相变现象,并进一步研究了相变过程中PcNi/

VO 2复合膜光学性质的改变。

1　实　验

采用射频磁控溅射仪在蓝宝石衬底上沉积VO 2薄膜。沉积条件为,本底真空,<113×10-3Pa ;溅射时总气压,

110Pa ;靶2衬底间距,60mm ;射频功率,120W 。衬底温度

加到580℃,氧氩气压比为1%。所有样品的沉积时间均为

60min ,沉积结束后,样品在真空中降温至室温。PcNi 薄膜

采用旋涂法制备。先将PcNi 溶在甲苯溶液中,然后把此溶液滴在已经沉积了VO 2薄膜的蓝宝石衬底上,控制合适的转速和时间,在匀胶机上完成旋涂。待甲苯自然挥发后完成

PcNi/VO 2复合膜制备。

常规的X 射线衍射测量在带有单色Cu 2K

α射线的RIN T 2400上进行,样品在红外区间的透射谱采用BIORAD FTS 6000光谱仪测得。

2　结果与讨论

图1给出了常规的XRD 曲线,从图中可以看到2θ=3918°和8613°两个峰,它们分别对应VO 2的(020)和(040)反

射峰。2θ=41156°和90162°是蓝宝石衬底的(0006)和(0012)

反射峰。图中没有观察到其他衍射峰,证明我们制备的VO 2薄膜组分非常纯

。

Fig 11　XR D spectrum of an oriented V O 2

f ilm on (0001)sapphire substrate

图2给出了PcNi/VO 2复合膜在28和90℃、在1～8μm 波长范围内的透射光谱曲线。为了便于比较,V O 2膜在相同条件下的测试曲线一并在图中列出。从图中看出,相变前,复合膜的透射率从115～4μm 逐渐上升,其间在3134

和

Fig 12　Spectral transmittance at 28and 90℃of V O 2f ilm on

(0001)sapphire with and without PcNi coating

a :PcNi/VO 2/sappire 28℃;

b :VO 2/sappire 28℃

c :PcNi/VO 2/sappire 90℃;

d :VO 2/sappir

e 90℃

3139μm 有两处吸收峰,在413μm 处达到最大值92%,而后从414～515μm 基本保持在80%附近,从515μm 开始透

射率逐渐降低直至8μm 处基本为零,在518μm 处有一强烈吸收峰。相变后,复合膜的透射率基本在5%左右。 通过与单一VO 2膜的透射曲线对比发现,复合膜在3134,3139和518μm 三处吸收峰分别是PcNi 膜的羟基和羰基造成的。除此以外,从115到5μm 波长范围内,复合膜的透射率较之VO 2膜均有所提高,这表明PcNi 膜起到了增透的作用,也是本文的一个新发现

。

Fig 13　T ransmittance (at 5μm)vs 1temperature for V O 2f ilm

on (0001)sapphire with and without Pc Ni coating

1:PcNi/VO 2;2:VO 2

对于这种复合膜的应用而言,最重要的一点就是旋涂PcNi 膜后VO 2的热色性没有被改变。为了证实这一点,对复合膜和VO 2膜在5μm 波长处进行了光谱透射测试,测试的温度区间是25～90℃。从图3中能够看出,复合膜的热滞回线与VO 2膜的热滞回线基本相同。从相变温度上看,复合膜和VO 2膜也基本相同。这说明旋涂PcNi 膜后VO 2热色性没有被破坏,相变温度也没有改变,这些都说明在VO 2膜上旋涂PcNi 膜是成功的。

关于复合膜光限幅特性的实验正在进行中。根据以上实验的结果,有理由相信,复合膜的光限幅特性将优于单纯VO 2膜和PcNi 膜。

3　结　论

本文分别对PcNi/VO 2复合膜和VO 2膜进行了相变前后的透射光谱测试,观察了5μm 波长处透射率随温度改变的变化。通过对比分析发现,PcNi 膜在115～515μm 对VO 2膜有增透作用,PcNi/VO 2复合膜相对于VO 2膜的热色性和相变温度都没有改变。预期PcNi/VO 2膜比单一PcNi 膜和VO 2膜的光限幅能力会更强。

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