太赫兹波段氧化钒薄膜与超材料结构研究

发布时间：2020-05-22 16:32

【摘要】：作为红外光与微波交界范围,太赫兹波(THz)是电磁波谱中研究最少的波段。天然响应材料的稀少与功能器件的缺乏,皆让太赫兹波在近年来成为新兴研究热点。氧化钒家族中的二氧化钒(VO_2)薄膜,其室温附近的半导体-金属相变特性,以及其相变对太赫兹波的光学调制开关性能,在太赫兹波段具有极为优异的应用前景。因而,探索VO_2薄膜在太赫兹波段的光学特性、如何优化其性能、克服其本身不足,需要进一步研究。另外,VO_2薄膜结合于超材料结构后,复合结构增强了开关调制性能,同时也形成其他种类的功能器件,逐渐发展成为重要的研究方向。据此,本文利用直流反应磁控溅射技术,制备了具有相变性能的VO_2薄膜;通过电学与THz光学性能,以及多种微观表征分析方法,深入研究了VO_2薄膜的光学电学性能与微观变化的联系规律以及优化路径;另外,与超材料结构结合,研究了复合结构对VO_2薄膜THz相变调制特性的增强作用。1.研究磁控溅射制备的VO_2薄膜在太赫兹波段的光学相变性能变化,以及其变化与电学相变性质之间的相似性。在可见光到近红外范围内,VO_2薄膜相变所引起的透过率变化幅度随波长增长而增大,同时衬底对VO_2薄膜的性能有少量影响。在中红外波段,VO_2薄膜对反应氧浓度的增加和减少,表现出不同的声子振动谱,同时退火时长对其几无影响。在太赫兹波段,VO_2薄膜表现出显著的光学相变性质,其回线特征与电学相变类似;其相变性能在反应氧含量的调节下与中红外的光谱变动一致,即氧含量缺乏时由于氧空位的存在相变温度下降,而适量时相变性能显著增强,过量后由于高价五氧化二钒的生成而相变消失。另外,在可见近红外波段,研究了Si掺杂对VO_2薄膜的性能调整与增强作用,为调整和优化VO_2薄膜在THz波段的相变性质做出铺垫。2.探究与V~(4+)离子同价的元素在THz波段掺入VO_2薄膜后的良好相变性能以及增强现象。首先,Si元素掺杂VO_2薄膜在THz波段保持了良好的光学调制性能,与可见近红外波段的结果一致。在此过程中,掺杂VO_2薄膜的相变温度在随Si掺杂浓度增大逐渐降低的过程中出现了反弹现象。分析结果发现,Si元素在VO_2薄膜中存在有替位式和间隙式两种形式,两种形式的不同影响与互相竞争的关系导致了相变温度的反弹。同时,此现象在可见光近红外波段也得到了验证。其次,退火温度的变化对于Si掺杂VO_2薄膜的粗糙度和孔隙度有着显著影响,退火温度的增加会减小孔隙度和粗糙度,但也会还原薄膜。另一部分,研究了Ge元素掺杂对VO_2薄膜相变性能的全面提升。相对于未掺杂VO_2薄膜,掺杂Ge后其THz光学调制幅度可提高17.6%,相变温度可稳定于80℃,回线宽度保持在3℃的极窄范围内。这些优异现象,皆与Ge掺杂VO_2薄膜中的掺杂晶体重新结晶,近四方晶格阵列的出现密切相关。3.较低价态的元素掺入VO_2薄膜后会快速退化薄膜性能,但也会在太赫兹波段产生各种奇特性质。首先,Al元素掺杂后,会将M1相的VO_2晶体结构转变为M2相,这缓解了VO_2薄膜在THz声子振动波段透过率较低、调制能力受限的现状。由于声子振动的来源不同,THz波段的声子振动模式快速消失与中红外波段声子振动峰的细微改变形成了明显对比。同时,由于VO_2薄膜相变的产生和传播方式,Al掺杂VO_2薄膜的电学相变温度稍高于光学相变温度。其次,更低价态的Cu元素掺杂的VO_2薄膜,其回线宽度变窄,相变温度降低;另外高浓度的掺杂引起了Cu元素在薄膜中的析出,产生了电学性质和THz光学性质的不对应现象。4.研究VO_2薄膜与超材料复合结构的调制性能增强作用及其原因。基于100nm厚度的VO_2薄膜,与开口谐振环结构复合后,在超材料的谐振频率处由于谐振模式的削弱与高电导率的电磁屏蔽先后作用,其透过率形成了先增加后降低的变化规律;而在非谐振频率0.72THz处,由于复合结构对电磁波的响应从类似LC振动转变为偶极子振动,调制幅度相比于纯VO_2薄膜提升了31.8%。此外,VO_2薄膜与互补开口谐振环结构复合,由于互补结构的带通高透特性与半导体透明状态的VO_2薄膜相匹配,以及高温相变后互补结构带通性质的消失与金属状态的高反射VO_2薄膜相对应,从而在谐振频率处,复合结构的调制能力相比于纯薄膜提升了62.4%。同时在此过程中,由于互补结构的敏感特性,清晰检测到VO_2薄膜相变的渗逾过程,导致薄膜的介电常数增加了两个数量级。
【图文】：

(VOx)—表现出极为丰富的物相成分。室温状态下，它们的晶体结构和物理性质各有不同[1-3]。其中3、VO2、V2O5；另在化合物 VO2附近，存在两类分别为 Magneli 相的 VnO2n-1、以及 Wadseley 相 5]。附近具有较高的电阻温度系数(TCR)，从而在敏感其中部分氧化钒材料，随温度改变产生突然的半etal Transition, IMT)，则更令人瞩目。这一性质至 V6O13，皆在不同温度范围处表现出这一相变态较低的 Magneli 相 VnO2n-1的晶体结构主要由刚体结构分别属于 V2O3和 VO2[6]。大部分 Magnel变机理互相不同，但各自相变现象稳定[7]。另外nO2n+1中，仅有 V6O13表现出 IMT 相变特性[8]。不经验总结规律，但从图 1-1 中可看出，其相变温度

图1-4 VO2晶体的相图。(a)外加应力与温度变化下VO2晶体结构变化[26]；(b) TiO2(100)衬底上 VO2晶体结构随 br方向应力温度变化相图[27]在衬底上制备的 VO2薄膜，因为衬底的残余应力，晶体结构也会发生转变，也会在 M1、M2、与 R 之间变换。图 1-4(b)为在 TiO2(100)衬底上制备的 VO2薄膜其晶体结构 br方向上随应力温度变化的相图[27]。另外，不仅应力可导致新的单斜相 M2 的生成，向 VO2晶体中掺入 Cr、W、Al 元素后，掺杂晶体都会表现出稳定的 M2 相[21, 28-31]。在应用研究上，以 VO2为主要成分的混合物 VOx未表现出相变性质，但其高电阻温度系数(TCR，2~3%/K)被应用于微测辐射热型的红外探测器上[32-34]。而具有相变性能的 VO2，，其几十飞秒的极快相变速率使得应用前景极为良好[35, 36]。根据其电学相变性能表现的强电子关联性质，作为沟道材料被应用于场效应晶体管(FET)上形成了 Mott 晶体管器件[37, 38]。根据光学性质随 IMT 相变改变规律，VO薄膜在智能控制近红外太阳辐射上极具优势，从而开辟了智能窗口应用这一方向[139]。另外，光学性质从近红外波段，延伸至波长更长的太赫兹波段时，相变现象更
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ135.11;TB383.2


本文编号：2676281