二氧化釩材料相變的太赫茲光譜與陣列成像

二氧化釩（VO?）材料是一種具有絕緣態(tài)到金屬態(tài)可逆相變特性的材料，在光器件及信息技術(shù)中有非常廣泛的應(yīng)用。研究表明，相變前后材料結(jié)構(gòu)的變化使得VO?對紅外光呈現(xiàn)出由透射向反射的可逆轉(zhuǎn)變。VO?材料在太赫茲（THz）頻段也有類似的獨特性能。隨后，國內(nèi)外研究者們開展了VO?材料在THz頻段的薄膜相變特性研究，主要包括熱致相變、電致相變、光致相變等。VO?薄膜在上述研究過程中表現(xiàn)出來的電學(xué)和光學(xué)性能，目前已成為THz頻段超材料、功能性器件研究的熱點，有望在THz開關(guān)、頻率選擇器和調(diào)制器等方面獲得廣泛應(yīng)用。

對于VO?材料，大多數(shù)情況都是研究其薄膜的特性。然而，當(dāng)材料作為調(diào)制器等功能器件來使用時，包括襯底、過渡層和薄膜樣品在內(nèi)的整個材料的光譜特性的研究顯得更為重要和直觀。在THz頻段，傅里葉變換光譜測量技術(shù)是研究1.5~20.0THz范圍內(nèi)材料光譜最常用的技術(shù)手段。與紅外光頻段的應(yīng)用相似，THz頻段物質(zhì)的透過率、反射率、吸收率以及偏振特性等均可以采用上述傅里葉變換光譜技術(shù)來直接測量或間接獲得。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所太赫茲固態(tài)技術(shù)重點實驗室研究團隊在《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“二氧化釩材料相變的太赫茲光譜與陣列成像”為主題的文章。

該文章首先采用傅里葉變換光譜測量技術(shù)，測量分析了硅基VO?材料在2.5~20.0THz頻段的透射譜和反射譜。為了體現(xiàn)樣品作為調(diào)制器的整體特性，測量了包含硅襯底、過渡層和VO?薄膜在內(nèi)的整個材料的光譜特性。同時，為了對比在4.3THz處的光譜測量結(jié)果，采用一套工作頻率為4.3THz的陣列成像系統(tǒng)，測量分析了上述硅基VO?材料相變前后的透過性差異。在透過率方面得出了與光譜測量結(jié)果相吻合的結(jié)論，最終獲得了硅基VO?材料整體作為調(diào)制器時最大最小透過率幅度的變化，從而為進一步開發(fā)3.0THz以上硅基VO?調(diào)制器以及調(diào)制器性能的研究奠定了很好的基礎(chǔ)；同時借助電驅(qū)動VO?相變的手段，有望在THz高速調(diào)制技術(shù)方面獲得重要應(yīng)用。

VO?薄膜參數(shù)

VO?薄膜的制備方法有很多，主要包括分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、脈沖激光沉積（PLD）以及磁控濺射法（MS）等，本文所用樣品具體制備方法為濺射氧化耦合法（SOC），即首先將HRSi襯底氧化，在HRSi表面形成一層二氧化硅（SiO?）薄層作為過渡層，然后采用直流磁控濺射技術(shù)在SiO?表面沉積金屬釩薄膜，最后在約740K的空氣環(huán)境下對金屬釩薄膜進行充分氧化，使之形成VO?薄膜。其中HRSi襯底直徑為15mm，電阻率>5000Ω·cm，HRSi/SiO?/VO?的厚度分別為500μm/20nm/1000nm。硅基VO?樣品的材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 硅基VO?材料結(jié)構(gòu)示意圖

測量系統(tǒng)介紹

THz光譜測量系統(tǒng)

傅里葉變換光譜測量系統(tǒng)是THz頻段非常傳統(tǒng)的光譜測量手段，它是一種基于邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)光譜測量的儀器，這種儀器利用氦氖激光器的半波長（316.4nm）作為邁克爾遜干涉儀中動鏡移動的基準(zhǔn)長度，通過將寬譜輻射源形成的干涉信號進行離散化處理，獲得輻射能量隨動鏡位置的變化曲線，最后采用傅里葉變換，將上述曲線通過特定的取值函數(shù)進行優(yōu)化，得到能量隨波數(shù)（頻率）的變化和分布，即光譜曲線。在光譜測量過程中，為了同時獲得VO?樣品上某一個點的透射和反射信息，采用與光譜儀（BRUKER VERTEX 80v）匹配的11°（入射角）透/反射樣品架來實現(xiàn)，測量時入射光從有VO?薄膜的一側(cè)入射；樣品溫度的控制則采用一個變溫杜瓦（OXFORD CF-V）來實現(xiàn)。光譜測量過程中樣品腔（sample cavity）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及光路示意圖如圖2所示，其中樣品透射和反射譜信息的測量通過旋轉(zhuǎn)反射鏡（rotating mirror）來切換。光譜測量時，Globar光源的光闌孔徑設(shè)置為3mm，光譜分辨力設(shè)置為2cm?1；被測樣品的變溫范圍為293~350K。

圖2 THz傅里葉變換光譜儀樣品腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)及光路示意圖

THz陣列成像系統(tǒng)

上述變溫THz光譜測量系統(tǒng)揭示的是不同頻率處樣品相變過程呈現(xiàn)的透過率和反射率變化，為了揭示整個樣品不同區(qū)域的相變過程，本文采用一套THz陣列成像系統(tǒng)對VO?相變過程的透過性進行了測量，測量裝置示意圖如圖3所示。成像系統(tǒng)所用的光源為THz量子級聯(lián)激光器（QCL），其激射頻率為4.3THz，THz QCL發(fā)出的激光在經(jīng)過二維擺鏡（2D wobbling mirror）勻束后，被一個THz頻段的高密度聚乙烯（HDPE）透鏡（lens）會聚成平行束，平行束經(jīng)過樣品載板后，到達(dá)帶鏡頭的THz陣列探測器，經(jīng)二維擺鏡勻束后的成像光斑直徑可達(dá)42mm，被成像樣品放置于樣品載片上進行THz頻段的透射成像，上述陣列成像系統(tǒng)的單幀成像時間約0.23s，對應(yīng)成像幀率8.5Hz，陣列的單像元尺寸為23.5μm，像素為320×240。

圖3 THz陣列成像系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖

太赫茲光譜測量與陣列成像結(jié)果

光譜測量結(jié)果

為了直接獲得樣品本身作為相變應(yīng)用材料的整體性能，采用圖2所示的可變溫透/反射光譜測量附件，測量得到了293~350K溫度范圍內(nèi)整個硅基VO?材料在2.5~20.0THz頻段的透射譜和反射譜，測量結(jié)果如圖4所示。光譜測量結(jié)果表明，硅基VO?材料對THz輻射既具有透射調(diào)制功能，也具有反射調(diào)制功能。值得注意的是，同一溫度下，材料在2.5~20.0THz范圍內(nèi)的反射率變化率差異不大，說明硅基VO?材料在制備超寬譜THz反射調(diào)制器方面具有很好的優(yōu)勢。此外，由于一定厚度的藍(lán)寶石襯底在THz頻段的透過率較低，而摻雜硅襯底在THz頻段存在很強的自由載流子吸收，也進一步說明了上述基于高阻硅襯底生長的VO?在THz頻段作為調(diào)制器材料的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。

圖4 樣品透射譜和反射譜

為了獲得某一頻率處硅基VO?材料的透過率、反射率和吸收率隨相變溫度的變化，從圖4的光譜中將4.3THz處的隨溫度變化的光譜信息提取出來，結(jié)果如圖5所示。硅基VO?薄膜材料透過率和反射率快速變化的溫度范圍為334~341K（68℃），對應(yīng)溫差為7K，相變前后樣品對4.3THz輻射的透過率變化達(dá)40%以上，反射率變化接近30%。

圖5 在4.3THz處，硅基VO?材料相變時的透過率、反射率和吸收率隨溫度的變化曲線

陣列成像結(jié)果

為了獲得上述硅基VO?材料不同區(qū)域的相變情況，采用一套4.3THz的陣列成像系統(tǒng)獲取了該樣品材料由金屬態(tài)變?yōu)榻^緣態(tài)的THz圖像。由于成像系統(tǒng)中豎直成像光路的設(shè)置，樣品加熱過程無法直接在光路中進行，為此先將成像系統(tǒng)調(diào)試至最佳狀態(tài)，然后用外部加熱臺將樣品充分加熱至金屬態(tài)，之后迅速將樣品放入成像區(qū)域進行成像和數(shù)據(jù)獲取，同時觀察陣列成像系統(tǒng)中樣品的圖像變化。當(dāng)樣品的THz圖像基本無太大變化時，即樣品轉(zhuǎn)變成絕緣態(tài)時，再次進行樣品成像和數(shù)據(jù)獲取。上述測量結(jié)果如圖6所示，其中圖6（a）為金屬態(tài)下的THz圖像，圖6（b）為絕緣態(tài)下的THz圖像。為從THz圖像信號中估算樣品的透過率，取圖6（a）和圖6（b）中從頂部開始的第192行數(shù)據(jù)，分別將金屬態(tài)和絕緣態(tài)樣品對應(yīng)的THz圖像信號幅值繪制成按水平方向像素分布的曲線，如圖6（c）所示。

圖6 硅基VO?材料相變的成像透過率分析

上述THz陣列成像過程獲得了整個硅基VO?材料相變時的透過率變化和相變時間，計算得到樣品在金屬態(tài)和絕緣態(tài)下的透過率與傅里葉變換光譜測量得到的結(jié)果相近。進一步驗證了硅基VO?材料作為THz頻段透射調(diào)制器的可行性。不過，由于上述陣列成像系統(tǒng)中THz陣列探測器的成像速度并不是很快，且在圖像獲取過程中并沒有充分發(fā)揮THz陣列探測器的時間分辨優(yōu)勢，因此，未來可采用成像速度更快的高速THz成像系統(tǒng)揭示VO?材料的快速相變過程。

結(jié)論

本文采用變溫傅里葉變換光譜測量技術(shù)，測量分析了一種磁控濺射氧化耦合法生長的硅基VO?材料在相變過程的光譜特性，獲得了整個樣品在2.5~20.0THz頻段透射譜和反射譜隨溫度的變化。研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度從293K升至350K時，硅基VO?材料從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)，對應(yīng)材料在4.3THz處的透過率由47.4%降至5.8%，透過率變化超過40%，反射率則從48.5%升至78%，反射率變化近30%。為了進一步獲得硅基VO?材料在相變過程中各區(qū)域的透射特性，采用一套4.3THz的陣列成像系統(tǒng)，測量了該樣品整個區(qū)域在相變前后的THz圖像及相應(yīng)的透射信號，獲得了該材料由金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣態(tài)時，其對4.3THz激光信號的透過率由6.7%升至50.7%，透過率變化為44%，與傅里葉變換光譜測量結(jié)果相當(dāng)。上述研究結(jié)果為硅基VO?材料用于2.5THz以上電磁輻射的透射調(diào)制和反射調(diào)制提供了很好的實驗數(shù)據(jù)支撐，在結(jié)合光致相變和電驅(qū)動相變等調(diào)制手段后，有望在2.5THz以上頻段的快速調(diào)制技術(shù)中獲得應(yīng)用。

審核編輯：劉清