激光防護中VO2薄膜的最佳膜厚計算

徐 凱，路 遠，凌永順，喬 亞，唐 聰

（1.電子工程學(xué)院，安徽合肥230037；2.紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室，安徽合肥230037）

·光電對抗·

激光防護中VO2薄膜的最佳膜厚計算

徐 凱1，2，路 遠1，2，凌永順1，2，喬 亞1，2，唐 聰1，2

（1.電子工程學(xué)院，安徽合肥230037；2.紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室，安徽合肥230037）

為實現(xiàn)VO2薄膜在激光防護應(yīng)用中的最佳膜厚設(shè)計，采用橢圓偏振法測試分別得到Si基底VO2薄膜低溫半導(dǎo)體態(tài)與高溫金屬態(tài)的光學(xué)常數(shù)，基于具有吸收特性薄膜的透射率計算理論，結(jié)合VO2薄膜用于激光防護的需求，計算得到適用于激光防護的最佳膜厚。為驗證計算方法準確性，根據(jù)入射激光波長10.6μm為例計算的最佳膜厚，采用直流磁控濺射法在Si基底上制備具有相應(yīng)膜厚的薄膜，利用傅里葉變換紅外光譜測試分析了該薄膜的紅外透射率相變特性，結(jié)果表明其紅外透射率具有明顯相變特性，3～5μm波段的紅外透射率對比值達到99%，λ= 10.6μm處相變前后的紅外透射率分別為67.2%、4.2%，與理論計算透射率66.4%、3.3%誤差較小，實測透射率對比值為93.8%，與理論預(yù)期95%基本相符，表明理論計算方法具有一定的準確性，根據(jù)最佳膜厚算法設(shè)計的VO2薄膜適合應(yīng)用于紅外探測器的激光防護研究。

二氧化釩薄膜；激光防護；最佳膜厚；磁控濺射法；紅外相變特性

1 引 言

二氧化釩（VO2）可在68℃左右發(fā)生半導(dǎo)體相與金屬相之間的可逆相變，該相變具有多種激勵方式如熱致相變［1］、光致相變［2］、電致相變［3］，且相變溫度最接近室溫。VO2的相變伴隨著雜化價帶中的禁帶寬度的變化［4］，其多種物理性質(zhì)發(fā)生突變，因此氧化釩薄膜被廣泛應(yīng)用于紅外探測、光電開關(guān)、激光防護等領(lǐng)域，其制備方法包括射頻/直流磁控濺射沉積法、Sol-Gel法［5-9］等多種方法。

當(dāng)VO2薄膜作為紅外探測器的激光防護窗口時，若膜層過厚會導(dǎo)致常溫態(tài)紅外透射率過低，使紅外探測器檢測閾值升高，容易導(dǎo)致探測器漏警，而膜層過薄會導(dǎo)致高溫態(tài)紅外透射率過高，對入射激光不能起到有效的截止屏蔽作用，容易造成探測器被激光損傷，因此存在VO2薄膜的最佳厚度設(shè)計問題。

目前對VO2薄膜最佳膜厚的研究還較少，由于VO2薄膜相變前后的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，因此需要單獨對薄膜的不同狀態(tài)進行分析計算。本文以橢圓偏振儀測得的薄膜相變前后光學(xué)常數(shù)為基礎(chǔ)，提出一種最佳膜厚的理論計算方法，并根據(jù)理論計算結(jié)果，采用磁控濺射法制備得到特定厚度的VO2薄膜，然后對其紅外透射率相變特性進行分析，以驗證理論計算的準確性。

2 VO2薄膜最佳膜厚的計算

2.1 光學(xué)常數(shù)測試

采用橢圓偏振儀分別測得VO2薄膜在低溫（20℃）半導(dǎo)體態(tài)與高溫（80℃）金屬態(tài)下，中遠紅外波段（2.5～15μm）范圍內(nèi)的光學(xué)常數(shù)，如圖1所示。

2.2 計算理論

考慮VO2薄膜具有吸收特性，其特征矩陣Ms具有如下形式［10-11］：

根據(jù)電磁學(xué)結(jié)論：

已知薄膜的相位厚度δ為：

圖1 VO2薄膜紅外光學(xué)常數(shù)Fig.1 Infrared optical constants of VO2thin films

令：

式中，δ1、δ2為正實數(shù)，則：

因此可以解得：

式（1）中的u、v、c1、c2、s1、s2得到定義：

通過確定吸收膜的特征矩陣Ms，可以求得吸收膜和基片的組合特征矩陣：

將得到的B、C代入式（10）：

根據(jù)測得的VO2薄膜在低溫狀態(tài)與高溫狀態(tài)的折射率n、消光系數(shù)k，可求得薄膜透射率Ts。

2.3 計算方法

根據(jù)透射率對比值α的定義，低溫態(tài)與高溫態(tài)的透射率對比值可直接反映VO2薄膜的透射率相變幅度。當(dāng)VO2薄膜用于探測器的抗激光干擾時，需要保證VO2薄膜在未發(fā)生相變時，保持較高的紅外透射率，從而不影響探測器正常接收目標紅外輻射，當(dāng)薄膜被激光作用并發(fā)生相變后，對紅外輻射的透射率變得極低，從而防止入射激光對探測器元件的破壞，在此將透射率對比值定義為95%，作為VO2薄膜最佳膜厚的判斷依據(jù)。

膜厚計算過程需要根據(jù)入射光波長的不同代入不同的薄膜折射率n、消光系數(shù)k，分別計算不同波長的入射光對應(yīng)的最佳膜厚，因此對入射光波長λ在2.5～15.0μm范圍內(nèi)分別進行計算，圖2為計算流程圖。

圖2 最佳厚度計算流程圖Fig.2 Flow chart of calculation of optimum thickness

2.4 計算結(jié)果

以入射激光波長λ=10.6μm為例，計算得到的薄膜低溫態(tài)透射率TL、高溫態(tài)透射率TH及透射率對比值α結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖4 不同膜厚薄膜透射率對比值αFig.4 αof thin films with different thickness

結(jié)合圖3、圖4可以看出，低溫態(tài)透射率TL受膜厚變化影響較小，而高溫態(tài)透射率卻隨膜厚的增加迅速降低，導(dǎo)致透射率對比值α前期增大速率較快，理論上在膜厚較大的情況下α值會趨于100%。如圖5所示的最佳膜厚d取值隨波長λ變化的曲線。

圖5 最佳膜厚d與波長λ的關(guān)系Fig.5 relation between optimum thickness d andλ

由圖5可以看出，在中遠紅外波段（2～15μm）范圍內(nèi)，隨著入射光波長的增大，最佳膜厚值基本呈線性遞增變化的趨勢，其斜率約為24 nm/μm。因此在鍍膜實驗中，可預(yù)先確定VO2薄膜在激光防護應(yīng)用中主要的防護波段，并結(jié)合最佳膜厚與波長的關(guān)系，計算得到針對某一主要波長具有特定膜厚的VO2薄膜。根據(jù)圖5，對于入射光波長λ=10.6μm的激光，若要實現(xiàn)薄膜相變前后對入射光的透射率對比值α為95%，其最佳膜厚約為350 nm。

3 實 驗

3.1 氧化釩薄膜的制備

實驗采用MS500B型超高真空磁控濺射鍍膜機在硅基底沉積氧化釩薄膜，采用尺寸為2×2 cm的Si片作為鍍膜基底，濺射源為高純金屬釩靶（99.99%）；濺射鍍膜前預(yù)抽真空至5×10-4Pa，通Ar（純度99.99%）預(yù)濺射清洗靶材表面雜質(zhì)約10 min后，再通入O2（純度99.99%）作為反應(yīng)氣體和工作氣體，控制氧氬流量比為0.8∶25，工作氣壓控制為0.8 Pa，基底溫度為280℃，直流濺射功率為160W，樣品臺以15 r/min的速度旋轉(zhuǎn)使薄膜沉積均勻。該濺射條件下濺射速度約為5.8 nm/min，為使VO2薄膜厚度為350 nm，因此設(shè)定濺射時間為60 min。

對冷卻后的樣品進行氧化熱處理，處理過程直接利用鍍膜機的基底加熱系統(tǒng)完成，以50℃/min速度調(diào)節(jié)溫度，待溫度達到300℃時按照氧氬比1∶25向真空室通入氧氬混合氣體，壓強設(shè)定為2 Pa，待氣壓穩(wěn)定后繼續(xù)升高溫度，待溫度達到450℃后保持2 h，熱處理完成后停止通入氣體，采用自然冷卻方法至室溫后取出。

3.2 膜厚測試

采用掃描電鏡（SEM）對薄膜的截面進行觀察，使用儀器為日本日立公司SU8020場發(fā)式掃描電鏡，得到微觀截面圖如圖6所示。

圖6 薄膜截面SEM圖Fig.6 SEM patterns of thin films section

由圖6可以看出，薄膜中的氧化釩聚集為顆粒尺寸50～100 nm的晶粒，薄膜厚度約350 nm，符合預(yù)期效果，同時薄膜表面致密性與平整性較好。

3.3 紅外透射性能分析

采用傅里葉變換紅外光譜分析（FTIR），測試不同溫度鍍膜Si片的紅外透射率，使用儀器為美國熱電公司Nicolet-8700紅外光譜儀，在不同溫度條件下的FTIR圖譜如圖7所示。

圖7 熱處理前后薄膜不同溫度的紅外光譜透射率Fig.7 Infrared transmission curves of thin films before and after annealing at different temperatures

根據(jù)紅外透射光譜可計算得到薄膜低溫態(tài)（20℃）與高溫態(tài)（80℃）透射率對比值α，結(jié)果如圖8所示。

圖8 薄膜的紅外透射率相對變化曲線Fig.8 Relative change ration curves of infrared transmission of thin films

由圖8可以看出，薄膜的紅外光譜透射率相對變化均在90%以上，且3～5μm波段的紅外透射率相對變化高達99%，相變特性比較明顯。如圖9所示的λ=10.6μm處紅外透射率隨溫度變化曲線。

圖9 λ=10.6μm紅外透射率-溫度曲線Fig.9 Infrared transmission-temperature curve at10.6μm

由圖9可以看出，相變前后VO2層在10.6μm波段的紅外透射率分別為TL=67.2%、TH= 4.2%，與理論計算得到的透射率TL=66.4%、TH= 3.3%誤差較小，實測透射率對比值α=93.8%，與理論預(yù)期α=95%基本相符。

4 結(jié) 論

采用理論計算方法預(yù)先設(shè)計VO2薄膜最佳膜厚，并以入射激光波長λ=10.6μm設(shè)計并制備了最佳膜厚的VO2薄膜在2.5～15μm高溫與低溫紅外透射率相對變化平均在90%以上，具有明顯的相變特點，特別是3～5μm波段紅外透射率對比值可達99%，同時λ=10.6μm處相變前后的紅外透射率分別為67.2%、4.2%，與理論計算透射率66.4%、3.3%誤差較小，實測透射率對比值為93.8%，與理論預(yù)期95%基本相符，可實現(xiàn)對入射紅外輻射的開關(guān)作用，表明本文最佳膜厚設(shè)計方法具有一定的準確性，根據(jù)該方法設(shè)計制備的VO2薄膜非常適合用于紅外探測器的激光防護。

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Optimum thickness calculation of VO2thin films in laser protection

XU Kai1，2，LU Yuan1，2，LING Yong-shun1，2，QIAO Ya1，2，TANG Cong1，2
（1.Electronic Engineering Institute，Hefei230037，China；2.Infrared and Low Temperature Plasma Key Laboratory of Anhui Province，Hefei230037，China）

In order to obtain optimum thickness of VO2thin films in laser protection，optical constants of VO2thin films at low and high temperature weremeasured by ellipsometry on Si substrate，and optimum thickness of VO2thin films in laser protection was calculated based on the transmission theory of thin filmswith absorptive properties.Then VO2thin filmswith specific thicknesswere prepared by DCmagnetron sputtering，and FITR was employed to testand analyze the infrared transmission properties.The results show that the infrared transmittivity of the VO2thin filmswith specific thickness has an obvious phase transition property.The relative change of infrared transmittivity rate at3～5 μm can reach 99%.Themeasured infrared transmittivity at 10.6μm before and after phase transition are 67.2%，4.2%respectively，and the rate of change is93.8%，which are approximate to the calculated data 66.4%，3.3%and 95%，and prove the accuracy of the calculation method.The VO2thin films which are designed by the calculation method of optimum thickness can be idealmaterial for laser protection of infrared detector.

vanadium oxide thin films；laser protection；optimum thickness；DCmagnetron sputtering；infrared optical phase transition properties

TB321

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.08.018

1001-5078（2015）08-0959-05

脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室主任基金項目（No.SKL2013ZR03）資助。

徐 凱（1990-），男，在讀碩士，主要從事紅外光學(xué)與材料研究工作。E-mail：xukai0110@foxmail.com

路 遠（1971-），男，副教授，主要從事光電功能材料，光學(xué)信息處理方面研究工作。E-mail：luyuanmail @163.com

2014-11-17