连续激光辐照下二氧化钒薄膜热致相变实验研究.pdf

1、 第 18 卷 第 5 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 18 ,No. 5 2006 年 5 月 H IGH POWER L ASER AND PA R TICL E B EAMS May ,2006 文 章 编 号 : 100124322 (2006) 0520713204连 续 激 光 辐 照 下 二 氧 化 钒 薄 膜 热 致 相 变 实 验 研 究 3骆 永 全 , 王 伟 平 , 罗 飞(中 国 工 程 物 理 研 究 院 流 体 物 理 研 究 所 , 四 川 绵 阳 621900)摘 要 : 介 绍 了 VO2 薄 膜 的 相 变 原 理 ,用 磁 控 离 子 溅 射

2、法 制 备 了 VO2 薄 膜 ,并 进 行 了 X 射 线 衍 射 和 不同 温 度 下 的 光 谱 透 过 率 测 量 。 在 1. 319 m 连 续 波 激 光 辐 照 下 ,实 时 测 量 了 VO2 薄 膜 的 温 度 变 化 ,以 及 由 于 温度 变 化 引 起 相 变 后 对 激 光 透 过 率 的 变 化 。 结 果 表 明 ,入 射 到 薄 膜 表 面 的 平 均 功 率 为 8. 9 W、 光 斑 直 径 2 mm时 ,激 光 出 光 480 ms 后 ,VO2 的 温 度 从 室 温 上 升 到 约 100 ,薄 膜 发 生 了 相 变 ,其 对 1. 319 m 激

3、 光 的 透 过 率 从相 变 前 的 48 %降 为 相 变 后 的 28 %。关 键 词 : VO2 薄 膜 ; 热 致 相 变 ; 光 限 幅 ; 激 光 防 护中 图 分 类 号 : O434. 14 文 献 标 识 码 : A随 着 激 光 技 术 的 迅 速 发 展 ,激 光 对 人 眼 以 及 光 电 传 感 器 形 成 了 较 大 的 威 胁 ,为 了 应 对 这 些 现 实 的 威 胁 ,各种 激 光 防 护 技 术 随 之 出 现 123 。 20 世 纪 80 年 代 以 来 ,人 们 一 直 在 努 力 探 索 激 光 防 护 的 新 原 理 、 新 方 法 、 新 材

4、料 ,并 取 得 了 一 定 的 进 展 。 主 要 表 现 在 探 索 出 了 一 些 新 型 激 光 防 护 原 理 、 方 法 和 材 料 ,其 中 基 于 热 致 相 变 原 理的 CO2 薄 膜 受 到 了 广 泛 地 关 注 ,氧 化 钒 在 某 一 温 度 附 近 会 发 生 结 构 性 的 热 致 可 逆 相 变 ,同 时 伴 随 晶 体 结 构 变化 的 还 有 光 学 以 及 电 磁 学 性 质 的 变 化 ,相 变 前 后 的 电 导 率 、 光 吸 收 、 磁 化 率 及 比 热 等 物 理 性 能 均 有 较 大 的 改变 4 。 自 从 1959 年 Morin 第

5、 一 次 观 察 到 VO2 的 热 致 相 变 现 象 后 ,人 们 对 这 种 材 料 在 光 学 、 电 磁 学 方 面 的 性 质以 及 应 用 进 行 了 大 量 的 研 究 。 1971 年 , Goodenough 提 出 了 基 于 晶 体 场 理 论 的 能 带 模 型 来 解 释 这 种 结 构 转 变的 物 理 机 制 5 。 同 一 年 ,Roach 发 现 用 反 应 溅 射 法 在 载 玻 片 上 制 备 的 VO2 薄 膜 的 折 射 率 在 相 变 前 后 改 变 了8 %左 右 ,并 指 出 VO2 可 用 作 一 种 光 盘 工 作 介 质 。 目 前 ,人

6、 们 正 尝 试 将 这 一 材 料 作 为 热 触 发 式 光 开 关 ,利 用 激光 与 氧 化 钒 材 料 相 互 作 用 引 起 的 热 效 应 使 其 相 变 ,从 而 实 现 激 光 防 护 6 。 本 文 分 别 在 温 控 箱 稳 态 加 热 和 连 续激 光 动 态 加 热 条 件 下 对 VO2 薄 膜 相 变 前 后 的 光 学 性 质 进 行 了 实 验 研 究 。1 VO2 薄 膜 的 相 变 原 理在 68 附 近 ,VO2 会 从 处 于 半 导 体 相 的 单 斜 晶 格 结 构 变 为 金 属 相 的 四 方 晶 格 结 构 。 在 低 于 相 变 温 度 时

7、 ,VO2 处 于 同 氧 化 钼 类 似 的 单 斜 晶 格 结 构 ,表 现 为 半 导 体 相 ,其 能 带 宽 度 约 为 0. 6 0. 7 eV ,具 有 高 的 红 外 透 过率 。 当 高 于 相 变 温 度 时 , VO2 处 于 类 似 于 氧 化 钛 的 四 方 晶 格 结 构 ,呈 金 属 态 ,具 有 低 的 红 外 透 过 率 。 VO2 在相 变 温 度 附 近 结 构 的 变 化 导 致 了 其 光 学 、 电 磁 学 性 质 的 变 化 。Fig. 1 Phase transition process of VO2图 1 VO2 相 变 过 程 示 意 图3

8、收 稿 日 期 :2006201219 ; 修 订 日 期 :2006204228基 金 项 目 :国 家 863 计 划 项 目 资 助 课 题作 者 简 介 :骆 永 全 (1974 ) ,男 ,硕 士 生 ,助 理 研 究 员 ,从 事 光 电 对 抗 技 术 研 究 ;changshare 126. com。在 从 低 温 到 高 温 的 过 程 中 ,VO2 表 现 出 结 构 性 的 变 化 。 但 在 这 个 过 程 中 并 没 有 发 生 广 泛 的 原 子 重 新 排列 ,只 是 初 始 原 子 群 有 轻 微 畸 变 7 。 图 1 为 VO2 的 相 变 过 程 示 意

9、图 ,可 以 看 到 ,随 着 温 度 的 变 化 ,VO2 分 子 的结 构 发 生 了 轻 微 的 畸 变 ,这 种 结 构 性 的 变 化 导 致 了 其 相 变 前 后 光 学 透 过 率 的 变 化 。 按 照 麦 克 斯 韦 电 磁 理 论 和经 典 力 学 公 式 有 829 n2 - 1n2 + 13 0N A = M (1)式 中 : M 表 示 分 子 量 ; 表 示 粒 子 密 度 ; 表 示 极 化 率 ; n 表 示 折 射 率 ; N A 和 0 分 别 是 阿 佛 伽 德 罗 常 数 和 真 空 介电 常 数 。 从 上 式 可 以 看 出 物 质 的 折 射 率

10、 n 会 随 着 离 子 累 积 密 度 和 离 子 极 化 率 的 增 加 而 增 加 。 低 于 相 变 温度 时 ,VO2 处 于 单 斜 晶 格 结 构 ,V4 + 和 O2 - 之 间 的 V2O 键 长 dV2O分 别 为 0. 126 ,0. 186 ,0. 187 ,0. 201 ,0. 203 和0. 205 nm ,当 dV2O RV2O = rV4 + + rO2 - = 0. 200 nm 时 会 发 生 极 化 现 象 , dV2O和 RV2O之 间 差 别 越 大 则 其 极 化 率 越大 ;高 于 相 变 温 度 时 ,VO2 处 于 四 方 晶 格 结 构 时

11、, dV2O = 0. 194 nm 非 常 接 近 RV2O 。 因 此 ,VO2 薄 膜 在 单 斜 晶 格结 构 时 的 极 化 率 大 于 在 四 方 晶 格 结 构 时 的 极 化 率 ,又 离 子 累 积 密 度 在 两 种 结 构 中 相 同 。 所 以 ,VO2 相 变 前 后的 折 射 率 会 发 生 变 化 ,这 直 接 导 致 了 其 相 变 前 后 光 学 特 性 的 变 化 。2 VO2 薄 膜 热 致 相 变 实 验采 用 磁 控 离 子 溅 射 法 将 VO2 薄 膜 镀 制 在 1 mm 厚 的 K9 玻 璃 上 ,然 后 使 用 X 射 线 衍 射 仪 和 轮

12、 廓 仪 分 别 对VO2 薄 膜 的 晶 态 结 构 和 几 何 厚 度 进 行 了 测 量 。 测 量 结 果 表 明 :薄 膜 分 布 不 是 很 均 匀 ,其 平 均 厚 度 为 100 nm ,VO2 的 XRD 衍 射 谱 如 图 2 所 示 。Fig. 2 X2ray diffraction spectra of VO2 t hin film图 2 VO2 薄 膜 的 XRD 谱Fig. 3 Transmission spectra of VO2 t hin film at different temperature图 3 不 同 温 度 下 VO2 薄 膜 的 透 过 率 曲

13、线由 于 钒 的 价 态 很 复 杂 ,具 有 多 种 氧 化 物 ,且 在 制 备 过 程 中 真 空 度 、 气 压 、 基 底 温 度 、 气 体 浓 度 等 因 素 难 以 精确 控 制 ,在 它 的 一 种 氧 化 物 中 往 往 含 有 其 它 的 氧 化 物 成 分 。 从 VO2 的 XRD 谱 可 以 看 出 ,其 主 要 成 分 为 VO2 ,另 外 还 含 有 少 量 的 V2 O5 和 V6 O13 。图 3为 将 样 品 放 在 温 控 盒 内 ,在 不 同 温 度 时 ,使 用 分 光 光 度 计 测 量 的 VO2 薄 膜 的 光 谱 透 过 率 曲 线 。 从

14、图Fig. 4 Experiment setup图 4 激 光 辐 照 VO2 薄 膜 实 验 示 意 图中 可 以 看 出 ,常 温 下 VO2 薄 膜 对 1. 319 m 波 长 光 的 透 过率 为 48 % ,当 温 度 上 升 到 70 时 ,薄 膜 发 生 了 相 变 ,其 对1. 319 m 波 长 光 的 透 过 率 降 低 为 29 %。 利 用 上 述 制 备 的VO2 薄 膜 ,使 用 波 长 为 1. 319 m 的 连 续 激 光 器 对 其 进 行了 动 态 实 验 研 究 ,测 量 了 薄 膜 相 变 前 后 光 学 特 性 的 变 化 情况 。 实 验 光 路

15、 如 图 4 所 示 。实 验 中 使 用 同 步 控 制 机 分 别 触 发 激 光 器 、 热 像 仪 和 示波 器 同 时 工 作 ,以 保 证 时 间 上 的 一 致 性 。 激 光 器 被 触 发 出光 后 ,经 一 楔 镜 分 光 ,其 中 一 束 反 射 光 照 射 到 In GaAs 光 电探 测 器 1 上 ,检 测 入 射 激 光 功 率 的 变 化 情 况 ;另 一 束 反 射 光照 射 到 功 率 计 上 ,检 测 入 射 到 VO2 薄 膜 上 的 激 光 功 率 ,透过 部 分 经 透 镜 聚 焦 后 照 射 到 VO2 薄 膜 上 ,VO2 薄 膜 置 于417

16、强 激 光 与 粒 子 束 第 18 卷透 镜 焦 点 后 边 ,VO2 薄 膜 后 面 放 置 In GaAs 光 电 探 测 器 2 监 测 透 射 光 的 变 化 情 况 。 示 波 器 和 热 像 仪 分 别 记 录入 射 激 光 和 透 射 激 光 功 率 的 变 化 以 及 激 光 辐 照 薄 膜 过 程 中 ,光 斑 区 域 内 薄 膜 温 度 的 变 化 情 况 。 实 验 结 果 如 图5 和 图 6 所 示 。Fig. 5 Incident laser wave图 5 入 射 激 光 波 形Fig. 6 Transmission and temperature change

17、 curves of VO2 t hin films图 6 VO2 薄 膜 温 度 和 透 过 率 变 化 曲 线图 5 为 入 射 激 光 波 形 ,光 电 探 测 器 处 于 线 性 工 作 区 内 ,激 光 器 被 触 发 后 ,大 约 经 过 60 ms 的 延 迟 后 快 门 打开 ,激 光 器 出 光 且 输 出 激 光 功 率 平 稳 。 图 6 中 的 离 散 点 为 热 像 仪 采 集 的 温 度 数 据 ,热 像 仪 的 采 集 速 率 为 25 f/s ,温 度 为 光 斑 区 内 的 平 均 温 度 。 温 度 曲 线 为 热 像 仪 采 集 数 据 的 拟 合 曲 线

18、 ,其 中 VO2 薄 膜 的 发 射 率 取 0. 7 ,没有 考 虑 随 温 度 的 变 化 。 入 射 到 薄 膜 表 面 的 激 光 功 率 为 8. 9 W ,光 斑 直 径 2 mm ,激 光 出 光 200 ms 后 ,VO2 的温 度 从 室 温 上 升 到 约 65 ,薄 膜 局 部 温 度 可 能 达 到 了 其 相 变 温 度 并 开 始 发 生 部 分 相 变 ,再 经 过 约 280 ms ,整个 薄 膜 全 部 发 生 了 相 变 ,此 时 其 温 度 为 100 左 右 。 在 这 个 过 程 中 ,1. 319 m 激 光 的 透 过 光 强 幅 值 从 室 温

19、 下的 62 mV 降 低 到 相 变 后 的 36 mV。 由 图 3 可 知 ,室 温 下 的 透 过 率 为 48 % ,则 对 应 其 相 变 后 的 透 过 率 降 为28 % ,这 与 用 温 控 盒 加 热 所 获 得 的 数 据 基 本 一 致 。 由 以 上 数 据 可 以 得 出 :在 薄 膜 表 面 的 激 光 平 均 功 率 密 度 为283 W/ cm2 的 情 况 下 ,实 验 所 用 VO2 薄 膜 样 品 的 响 应 时 间 (从 激 光 出 光 到 薄 膜 完 全 发 生 相 变 的 时 间 ) 为 480ms ,相 变 前 后 的 透 过 率 分 别 从 相

20、 变 前 的 48 %变 为 相 变 后 的 28 %。 薄 膜 的 响 应 时 间 较 长 与 薄 膜 和 光 强 的 不 均匀 性 导 致 的 温 度 场 的 不 均 匀 有 很 大 关 系 ,也 就 是 说 薄 膜 经 历 了 一 个 从 局 部 相 变 到 整 体 相 变 的 过 程 ,这 个 过 程 是由 上 述 的 温 度 场 的 不 均 匀 引 起 的 。3 小 结从 以 上 实 验 结 果 可 知 ,在 入 射 功 率 密 度 为 283 W/ cm2 时 ,VO2 薄 膜 的 透 过 率 由 相 变 前 的 48 %降 为 相 变 后的 28 % ,相 变 前 后 薄 膜 的

21、 透 过 率 改 变 了 40 % ,其 响 应 时 间 为 480 ms。 薄 膜 的 响 应 时 间 和 相 变 温 度 以 及 光 学 特性 的 变 化 强 烈 地 依 赖 于 薄 膜 的 制 备 条 件 ,且 与 薄 膜 的 微 结 构 10 、 成 分 和 对 激 光 的 吸 收 系 数 密 切 相 关 。 为 了 进一 步 提 高 VO2 薄 膜 的 实 用 性 ,可 以 通 过 降 低 其 相 变 温 度 ,增 大 相 变 前 后 透 过 率 的 变 化 来 实 现 ,达 到 上 述 目 的 的关 键 在 于 制 备 出 高 质 量 的 VO2 薄 膜 。致 谢 : 感 谢 中

22、国 科 学 院 物 理 研 究 所 冯 克 安 研 究 员 及 其 研 究 小 组 在 氧 化 钒 样 品 制 备 和 测 试 中 的 帮 助 。参 考 文 献 : 1 胡 江 华 , 周 建 勋 , 王 庆 宝 , 等 . 战 场 激 光 防 护 技 术 J . 光 学 技 术 , 1995 , 21 (3) :36239. ( Hu J H , Zhou J X , Wang Q B , et al. Laser protec2tion technique in t he battlefield. Optical Technique , 1995 , 21 (3) :36239) 2 牛

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24、e of laser protection technology. A p pl Opt ,2000 , 21 (3) :12216) 4 Morin F J . Oxides which show a metal2to2insulator transition at t he neel temperatureJ . Phys Rev L ett , 1959 , 3 : 34236. 5 Case F C. Modifications in t he phase transition properties of predeposited VO2 films J . J ournal of V

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29、ansition principle of VO2 thin films is introduced in this paper. The X2ray diffraction pattern andspectral transmission at different temperature of vanadium dioxide thin films deposited on glass by RF magnetron sputtering weremeasured. Temperature and transmission change caused by heating2induced p

30、hase transition of the vanadium dioxide thin filmswere measured on real time under the irradiation of a 1. 319 m continuous wave laser beam with an average power density of 283W/ cm2 and a spot diameter of 2 mm. The experimental results indicate that after 480 ms laser irradiation , the temperature

31、of va2nadium dioxide thin film is raised from room temperature to about 100 , phase transition occurs and transmittance decreasesfrom 48 % before the phase transition to 28 % after the phase transition.Key words : VO2 thin film ; Heating2induced phase transition ; Optical limiting ; Laser protection617 强 激 光 与 粒 子 束 第 18 卷