多相氧化钒薄膜及其相关人工微结构的光学特性研究.pdf

摘要

近半个世纪以来，光学薄膜领域经历了飞速的发展，各种常见材料的薄膜形态被

制备并对其光学特性进行研究，其中近些年来由相变材料构成的光学薄膜基于其可调

谐的光学特性受到了人们的青睐，可广泛应用于航天、建筑、服装和军事等领域。二

氧化钒（VO）作为一种具有独特相变性能的材料，在68℃左右发生由低温单斜绝缘

2

态转变为高温金红石金属态的可逆的相变过程，也伴随着其光学和电学性能的显著变

化；超表面作为二维形态的超材料，通过在平面上周期或非周期性的排列人工设计的

微纳结构，能够在特定波段起到良好的光谱调控效果，因此将氧化钒的相变特性和超

表面的光谱调控结合起来将会在很多领域尤其在热辐射调控方面有着巨大的应用潜力

和研究价值。本文以相变材料氧化钒薄膜的制备为起点，之后基于氧化钒薄膜的超表

面的光学性能进行了以下主要工作：

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（）制备了相变性能良好的多相氧化钒薄膜。先是基于离子束溅射镀膜工艺制备

两种厚度钒膜，接着对钒膜进行后续的退火热氧化处理，通过透过率光谱详细探究了

退火工艺参数对样品薄膜的相变性能的影响，得到了样品最佳的退火工艺参数，制备

出了相变前后透过率相差55.5%和41.5%的厚度为100nm和200nm的相变特性良好的

多相氧化钒薄膜。

（2）多相氧化钒薄膜的表征和分析。对薄膜样品进行形貌、光谱、成分和电阻方

面的表征，发现样品形貌良好，颗粒均匀；100nm氧化钒薄膜中VO2占比61.1%，

VO占比38.9%，200nm氧化钒薄膜中VO占比53.8%，VO占比46.2%；薄膜相变

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前后电阻下降了2-3个数量级，得到了薄膜的光学常数和介电常数；重点观察了升温和

ps

降温过程中薄膜透过率和反射率的详细变化，还研究了偏振和偏振下改变入射角度

薄膜反射光谱的变化情况。

（3）基于多相氧化钒薄膜的热辐射开关。用氧化钒薄膜的光学常数设计了一个基

于超表面光栅结构的10.6m处的窄带热辐射开关，开关效率达到93%，其中光栅周期

10m，宽度6m，高度1m。之后详细介绍了光栅结构的制备过程和注意事项，通

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过电子显微镜测量得到了制备的光栅结构的形貌特征，并基于氧化钒薄膜相变前后结

构的吸收和发射光谱对光栅结构的开关效率进行了分析。

关键词：氧化钒薄膜，相变，离子束溅射，热辐射开关

II

ABSTRACT

Inthepasthalfcentury,thefieldofopticalthinfilmshasexperiencedrapiddevelopment,and

thinfilmformsofvariouscommonmaterialshavebeenpreparedandstudiedfortheiropticalproperties,

amongwhichopticalthinfilmscomposedofphasechangematerialshavebeenfavoredinrecentyears

basedontheirtunableopticalproperties,andcanbewidelyusedinaerospace,architecture,clothingand

militaryfields.Vanadiumdioxide(VO),amaterialwithuniquephasetransitionproperties,undergoesa

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reversiblephasetransitionfromalow-temperaturemonoclinicinsulatingstateto