基于VO2相變實(shí)現(xiàn)太赫茲波段寬帶抗反射

劉俊星，索 鵬，傅吉波，薛 新，馬國(guó)宏

1)上海大學(xué)理學(xué)院, 上海 200444；2)嘉興學(xué)院南湖學(xué)院, 浙江嘉興 314001

電磁波入射到由兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，其反射率由菲涅爾公式描述[1]．對(duì)于一個(gè)由許多光學(xué)元器件組成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)(如顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡等)，多個(gè)界面間的反射會(huì)造成光透過(guò)率的降低，可能導(dǎo)致視場(chǎng)較暗，成像不清晰．一般采用光學(xué)干涉原理在光學(xué)元器件表面制作多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，以提高光學(xué)透過(guò)率．這種方案盡管成熟，但存在明顯不足：① 薄膜制備工藝復(fù)雜．為提高光學(xué)透過(guò)率，需制作十幾甚至幾十層抗反射薄膜[2]；② 所設(shè)計(jì)的抗反射層帶寬較窄．盡管通過(guò)制作更多反射層可提高抗反射帶寬，但能力十分有限．若在兩種介質(zhì)的界面間插入一層導(dǎo)電薄膜，則可以匹配界面介電常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的抗反射效果[3]．由于導(dǎo)電薄膜對(duì)電磁波具有寬譜響應(yīng)，可以產(chǎn)生對(duì)入射波的寬帶抗反射．

VO2是一種典型的溫度依賴型金屬-絕緣體相變材料，其相變溫度tc～68 ℃，接近室溫[6-7]．尤其是通過(guò)在VO2晶格中引入缺陷(摻雜)或制備VO2納米晶，可調(diào)節(jié)其相變溫度，使tc更接近室溫，從而容易觸發(fā)其發(fā)生金屬-絕緣體相變[8]．如果在兩種介質(zhì)的界面間沉積一層VO2薄膜，通過(guò)薄膜溫度調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率，可以實(shí)現(xiàn)全波段抗反射效果．本文研究空氣-VO2-石英界面間的反射現(xiàn)象，通過(guò)改變VO2薄膜的溫度，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段(0.2～2.0 THz)的寬帶抗反射．該研究結(jié)果也可拓展至可見(jiàn)光、紅外及微波波段．

1 實(shí) 驗(yàn)

VO2薄膜通過(guò)反應(yīng)式射頻磁控濺射方法制備，制備過(guò)程中金屬釩靶直徑為50 mm，純度大于99.9%，由循環(huán)水冷卻．鍍膜腔中充高純Ar氣和O2氣，并按一定比例混合，薄膜厚度由沉積時(shí)間控制．本實(shí)驗(yàn)中VO2薄膜厚度d=200 nm，沉積在厚度為1 mm的熔融石英襯底上[9]．拉曼光譜表明，該VO2薄膜的相變溫度區(qū)間為66～80 ℃，即當(dāng)溫度高于66℃時(shí)，VO2薄膜開(kāi)始由絕緣相向金屬相轉(zhuǎn)變，到80℃時(shí)，薄膜完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧啵?/p>

利用太赫茲時(shí)域光譜(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)系統(tǒng)對(duì)VO2薄膜的抗反射性質(zhì)進(jìn)行研究．THz-TDS系統(tǒng)的光源是摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光振蕩器(Mai Tai HP，Spectra-Physics)，其產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為800 nm，重復(fù)頻率為80 MHz，脈沖寬度為100 fs的激光．激光經(jīng)過(guò)分束后分別入射到2個(gè)低溫生長(zhǎng)GaAs基光電導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)THz脈沖的產(chǎn)生和檢測(cè)．通過(guò)改變泵浦光和探測(cè)光的相對(duì)時(shí)間延遲，可以得到太赫茲輻射場(chǎng)的時(shí)域光譜[8]．樣品置于一個(gè)溫度調(diào)節(jié)范圍為25～150 ℃的加熱爐內(nèi)．樣品處太赫茲光斑直徑約3 mm，本實(shí)驗(yàn)中光譜有效范圍為0.2～2.0 THz．

2 結(jié)果與討論

圖1 不同溫度下200 nm VO2-石英襯底的太赫茲透射 時(shí)域光譜及太赫茲脈沖經(jīng)過(guò)復(fù)合界面的二次反射示意圖Fig.1 The THz transmittance time-domain spectroscopy of 200 nm VO2-silica substrate at various temperatures and the diagram of second-order THz pulse across a composite interface

圖1給出4種不同溫度下VO2薄膜的太赫茲透射時(shí)域光譜．其中，延遲時(shí)間在7 ps左右是太赫茲的主透射脈沖．當(dāng)溫度由70 ℃升至73 ℃過(guò)程中，太赫茲主透射峰幅度逐漸減小，這是由于高溫下VO2薄膜由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)．當(dāng)VO2為金屬相時(shí)，反射發(fā)生在VO2-石英界面；一般情況下，在空氣-VO2和VO2-石英界面均反射太赫茲波；當(dāng)VO2的電導(dǎo)率滿足Z0σd=ns-na時(shí)，界面無(wú)反射現(xiàn)象．在延遲時(shí)間為14 ps左右出現(xiàn)一個(gè)小的突起，其來(lái)源于太赫茲脈沖在石英襯底前后兩界面的反射，稱為太赫茲脈沖的二次反射，如圖1(b)．有趣的是，太赫茲二次反射的相位與溫度密切相關(guān)，從圖1(a)插圖明顯可見(jiàn)，對(duì)于溫度t=70 ℃和71 ℃，二次反射峰與主峰相位一致，而當(dāng)t=72 ℃和73 ℃時(shí)，反射峰的相位與主峰相位相反．尤其是當(dāng)t=72 ℃時(shí)，反射峰幅度很小，幾乎消失，可以推測(cè)，如果溫度在71～72 ℃精確調(diào)節(jié)，可將二次反射峰完全消失．

圖2(a)給出更大溫度范圍(60～90 ℃)的太赫茲透射時(shí)域光譜，圖2(b)是圖2(a)經(jīng)快速傅里葉變換后的頻域譜圖．由圖2可見(jiàn)，在溫度60～67 ℃，太赫茲透射譜幾乎無(wú)任何變化．從67 ℃開(kāi)始，其透射率隨溫度升高而逐漸降低．這表明，溫度低于67 ℃時(shí)，VO2薄膜處于完全絕緣狀態(tài)，對(duì)入射太赫茲波無(wú)明顯影響．當(dāng)溫度高于67 ℃時(shí)，VO2薄膜開(kāi)始發(fā)生絕緣體-金屬相變，其電導(dǎo)率隨溫度升高而顯著增加．當(dāng)溫度高于85 ℃時(shí)，VO2幾乎全部是金屬相，再升高溫度，對(duì)太赫茲的透過(guò)率影響有限．

圖2 不同溫度下VO2/石英的透射時(shí)域光譜及頻域光譜Fig.2 The time-domain and frequency-domain spectros- copy of VO2/silica substrate at various temperatures

在空氣與石英界面間插入厚度d=200 nm的VO2薄膜時(shí)，使太赫茲二次反射峰消失的條件為Δn=0， 即ns-na=Z0σd．可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的電導(dǎo)率σ[4]或薄膜的厚度d[10]， 均可以獲得抗反射效應(yīng)．

以下分析VO2薄膜電導(dǎo)率色散隨溫度的變化情況．由于較低溫度下(如60 ℃)VO2薄膜表現(xiàn)出完全絕緣特性，此時(shí)可認(rèn)為其電導(dǎo)率為0，即σ60=0． 較高溫度下(t>60 ℃)THz透過(guò)率與t=60 ℃時(shí)的比值ΔT(t)為[4]

(1)

考慮到低溫下VO2薄膜的絕緣性，即σ60=0

(2)

(3)

圖3 不同溫度下VO2薄膜的THz歸一化 透過(guò)率頻譜及其電導(dǎo)率色散關(guān)系Fig.3 The normalized THz transmittance spectrum and the calculated conductivity dispersion of VO2 thin film at various temperatures

圖3(a)為不同溫度下THz透過(guò)率與t=60 ℃時(shí)太赫茲透過(guò)率的比值ΔT(t)． 利用式(3)可計(jì)算出不同溫度下VO2薄膜的電導(dǎo)率色散曲線，如圖3(b)，此時(shí)VO2薄膜厚度為d=200 nm．可見(jiàn)，在0.2～2.0 THz范圍，隨溫度增加，VO2薄膜的電導(dǎo)率由低溫下接近0增加到t=70 ℃的約0.3×104Ω-1m-1，到t=90 ℃的約3.5×104Ω-1m-1．此外，VO2薄膜的電導(dǎo)率在觀測(cè)頻段(0.2～2.0 THz)幾乎是平整的，不隨頻率出現(xiàn)較大色散．這也表明VO2薄膜高溫下表現(xiàn)為金屬行為．

研究還發(fā)現(xiàn)，VO2薄膜的升溫和降溫過(guò)程存在熱滯回線現(xiàn)象．圖4給出升溫和降溫過(guò)程太赫茲峰值透過(guò)率的變化．要達(dá)到相同太赫茲透過(guò)率，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程所對(duì)應(yīng)的溫度不同．實(shí)驗(yàn)中的溫度變化范圍為50～90 ℃，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用樣品，溫度差高達(dá)約10 ℃．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，升溫與降溫過(guò)程所對(duì)應(yīng)的溫度差與VO2薄膜質(zhì)量有很大關(guān)系．對(duì)于外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的VO2薄膜，其溫度差較?。捎谒玫囊r底是熔融石英玻璃，生長(zhǎng)的VO2薄膜晶體為多晶結(jié)構(gòu)，微晶間存在較多的晶界，晶界基本上是非晶態(tài)．非晶態(tài)VO2具有較寬的相變溫區(qū)，所以觀測(cè)到的熱滯回線存在較寬溫區(qū)．

圖4 VO2薄膜的峰值透過(guò)率隨溫度關(guān)系Fig.4 The transmittance peak as a function of temperature

結(jié) 語(yǔ)

本研究利用在石英玻璃表面生長(zhǎng)一層200 nm厚的VO2薄膜．通過(guò)改變樣品溫度，可實(shí)現(xiàn)空氣與石英玻璃界面的折射率匹配，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的寬譜抗反射效應(yīng)．實(shí)驗(yàn)還獲得不同溫度下VO2薄膜的電導(dǎo)率色散曲線．結(jié)果表明，利用溫度誘導(dǎo)VO2薄膜的絕緣體-導(dǎo)體相變，可用于研制太赫茲波段寬帶抗反層．

致謝: 感謝中國(guó)科學(xué)院硅酸鹽研究所姜蒙博士在VO2薄膜制備方面提供的幫助！