VO2薄膜光诱导相变

二氧化钒中10.6m μ红外光诱导相转换

文献来源：Infrared Physics & Technology

作者：Xiubao Sui, Weiji He, Chao Zuo, Qian Chen, Guohua Gu

翻译：稂梦姣 1112050304上海理工大学 光电信息工程

摘要：

VO2有良好的相变特性。相变前后光、电、磁特性保持不变，这种特性被应用在很多领域。到目前为止，我们已经知道从软X 射线到中红外的光能使它产生这种效应。但是10.6m μ远红外光是否有此效应还有待进一步研究。本文将阐述10.6m μ远红外光照射下VO2的响应特性。我们测试了在CO2激光器照射下，VO2薄膜对632.8nm 红外光的透射率及电导率。除了热导相移的影响，我们发现当用10.6m μ照射时，透射率和电导率都会改变。这就意味着10.6m μ红外光能诱导VO2发生光导相移。这样一来，VO2有望应用于长波红外全息摄影，及红外探测分辨率的提高等领域。

1． 介绍

VO2是一种热导材料，它的相变使晶体结构发生改变，这一改变体现在它的光、电、磁特性上。并且，这种相变时间非常短，在ns 级别。因此，作为一种良好的功能性材料，它在很多领域都有广泛的应用，如（1）智能窗，（2）激光防护，由于具有金属—绝缘体转换特性，特别是在红外波段的光学特性突变，VO2可用于3—5m μ及8—12m μ波段的激光防护（1）

。（3）红外升频材料，如微测辐射热计、热敏电阻（作为过渡金属氧

化物，它的电阻温度系数非常大，是一种非常好的热敏电阻）（2）。（4）光开关，在相移

的瞬间，红外光的透射率和反射率发生突变（3）。（5）可变镜（4），（6）光调制器，VO2

薄膜在68。C 左右产生可逆的金属—绝缘体相变，因此，我们可以使它随着温度变化发生光学对比变化，从而实现光调制。

1959年，Morin 发现了VO2的这一相变现象。在相变点，导电性、透射率、折射率、敏感系数及比热容会发生反转突变。长时间以来，关于VO2材料的研究一直集中在VO2薄膜的制备，这种薄膜主要应用于未冷却型红外探测器（包括未冷却型热像仪）的热敏材料。 本世纪初叶，VO2材料的这种相变特性引起了科学家们的关注，其中一项重要的研究是关于VO2的光子感生相变。2001年，牛津大学的Cavalleri 和他的团队发表了一篇文

章，介绍了他们在飞秒激光器的照射下VO2相变过程中的结构力学相关的成果（6）。研究发现，VO2的相移不是由热力引起的。2004年，他们展示了用软X 射线光感VO2薄

膜产生的相移（7）。2005年，他们用800nm 激光引导了VO2薄膜产生相移（8）。自那以后，

关于VO2相变的光、电性质的分析和研究就越来越多了。2008年，来自加拿大的Ashrit

团队在和上发表了相关的文章（9,10）。主要研究包括两个方面：（1）Ashrit 用

Nd:YVO4激光（5W ，波长532nm ）诱导不同厚度（100nm-300nm ）的VO2薄膜。结果表明不同厚度的VO2薄膜都能产生明显的金属—绝缘体相变效应。（2）通过测试VO2薄膜的渗透率，Ashrit 发现在近红外波段它的透射率的动态范围能达到68db ，远高于先前的42db 。然而，这些实验结果尚缺少一定的理论基础，还待进一步的研究。2008年，Cavalleri 等人表示，尽管VO2的能带间隙是670meV ，单晶和多晶的VO2产生光感相变效应的阈值与此有所不同。对于单晶VO2，只有光子能量大于670meV 就可产生相变。

而对于多晶VO2薄膜，当光子能量大于180meV 时就能产生相变效应（11）。尽管还不能

给出一个完整的理论解释，但是通过实验，Cavalleri第一次证实VO2相移效应可以由中红外光来激发完成。

2011年，Davila指出，在能产生相变效应的范围内逐步增加波长是未来的发展方向（12）。2012年，Cavalleri的研究团队在Pr0.7Ca0.3MnO3上拓宽了可诱导相变的红外波长（13），发

μ红外光成功诱导Pr0.7Ca0.3MnO3发生了光感相变，同时布了最新的研究结果：用17m

测试了800nm近红外光的相变。

μCO2激光能诱导VO2产生相变吗？它的相变特性是怎样的？目前没有相关的10.6m

μ激光激发VO2来测出VO2薄膜研究。因此，我们准备了VO2薄膜，想通过用10.6m

的特性。

2.VO2薄膜制备

2.1 实验室制备

利用RF磁控溅射技术制备VO2薄膜。溅射的电源频率是13.56MHz，可调节输出功率为0-500W。用直径60mm、纯度为99.7%的水冷却金属机械靶作为溅射靶。使用的溅射气体是高纯度（99.999%）氢气，反应气体是高纯度氧气。用质量流量计来动态控制气体的流动。机械泵作为前置泵，采用分子泵作为二级泵使真空压强低于10-5Pa。打开加热设备，自动调温机调节温度，用镍-铜-镍/铝热电偶来测量基底温度。当加热到500。C，分别注入0.1sccm氧气和38sseem氩。在制备过程中，其它的参数为：溅射功率120W，压板电压750V，压板电流200mA，自偏压200V。

2.2 薄膜的生长

薄膜的生长是一个相变过程（从气相变成吸附相，再变成固相），可粗略分为四个阶段：成核、结合、通道薄膜和连续模。在此过程中，基底温度T s对于薄膜的组织结构有很大的影响。目前的研究表示，T s与薄膜的熔点T m有关可分为四个部分（12）：

（1）区域一：T s<0.15T m，因为基底温度低，原子不能从基地吸收更多的能量以改善表面迁移率，这会导致表面的扩散非常微弱。大部分原子只能在初始吸收状态附近与入射的原子结合形成核。然而，稳定的晶体核形成后，却没有足够的能量可以克服晶界，从而与邻近的晶核结合。因此，在第一阶段，形成的晶粒非常小，只有几十纳米。晶界空洞的密度相比之下更大，薄膜质地非常松。

（2）区域T ：0.15 T m < T s < T m,区域一和二的过渡带。吸收原子的表面扩散有所改善，间隙密度减少，晶粒之间的纹理变得明显。随着T s的升高，晶粒可翻越晶界，结合成更大的晶粒（仍比薄膜厚度小），大颗的晶粒数目逐渐增多。

（3）区域二：0.3 T m < T s <0.5 T m.表面迁移和晶界迁移显著。晶核结合在一起，形成排列紧凑的柱状晶粒，长度等于薄膜厚度。随着T s的升高，柱状晶粒的直径增加，晶膜结构非常稠密，能达到块材料的密度。

（4）区域三：T s>0.5 T m.体扩散和再结晶非常明显，晶界变窄。有些晶粒大小比薄膜厚度还大，成柱状（等轴）分布。