CN104698511B - 增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法及由其制备的氧化钒薄膜 - Google Patents

增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法及由其制备的氧化钒薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法，包括以下步骤：通过化学腐蚀、光刻或压印中的一种，在氧化钒薄膜表面形成呈正方形排列的多个圆柱形单元，该多个圆柱形单元所形成的排列结构与空气形成折射率高低交错的光子晶体结构，利用周期结构对入射波的耦合，将入射波耦合为面内的Bloch波模式，从而增加氧化钒薄膜在近红外波段的光吸收率。利用本发明所提出的增加氧化钒薄膜近红外波段光吸收率的方法所制备的氧化钒薄膜，与未采用光子晶体周期结构的氧化钒薄膜相比，基于本发明制造的氧化钒薄膜在700nm‑1700nm波段吸收率明显高于前者。

Description

增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法及由其制备的氧化钒薄膜
技术领域
本发明涉及物理电子学技术领域，具体而言涉及一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法及由其制备的氧化钒薄膜。
背景技术
热辐射探测器是通过热效应来探测辐射的元器件，其基本的工作方式是：根据红外探测元件吸收红外辐射后温度发生变化，测量由温度变化而导致的敏感元件物理性质(如尺寸、电阻、共振频率等)的变化来对红外辐射进行探测。热辐射探测器无需致冷设备，可以工作于室温环境下，在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面均有明显的优势，目前已成为研究的热点，并显示出了巨大的市场潜力。
为了提升热辐射探测器的红外探测效率，增强探测灵敏度，有必要研究提高探测器近红外波段吸收率的方法。
二氧化钒(VO2)是具有相变性质的金属氧化物，其相变前后材料的电阻率变化可达3～5个数量级，在室温附近的电阻率温度系数(TCR)可达-2％～-3％K-1，其大小为一般金属薄膜热敏电阻的5～10倍，且具有较低的1/f噪声系数，因此它是目前用来制备8-12um长波红外探测中非致冷红外探测器热敏探测器的理想材料。但是直接利用氧化钒薄膜进行探测效果还很不理想。
目前，提高氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法主要如下：薄膜厚度调整，通过折射率和薄膜厚度等参数的调整，使薄膜表面的反射见到最小，从而增加吸收；杂质掺杂，在保持氧化钒特性的基础上，掺杂少量杂质，从而改变其光学性质，增加吸收率；表面纹理或陷光结构，如表面周期光栅或Bragg反射镜，通过结构的陷光作用增加吸收率。但是上述方法均存在一定的不足和限制，如折射率厚度匹配适用于低色散材料，而氧化钒为强色散材料；掺杂法中的杂质浓度和掺杂过程控制难度较高；纹理或陷光结构目前还有待实验的进一步验证。
发明内容
本发明目的在于提供一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法，利用周期结构对入射波的耦合，将入射波耦合为面内的Bloch波模式，从而增加氧化钒薄膜在近红外波段的光吸收率。
本发明的另一目的在于，提供一种基于上述方法制备的氧化钒薄膜。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法，包括以下步骤：
通过化学腐蚀、光刻或压印中的一种，在氧化钒薄膜表面形成呈正方形排列的多个圆柱形单元，该多个圆柱形单元所形成的排列结构与空气形成折射率高低交错的光子晶体结构。
进一步的实施例中，在前述方法中，每个圆柱形单元形成一个圆柱形介质柱，介电柱的高度为250nm，氧化钒薄膜的厚度为200nm。
进一步的实施例中，在前述方法中，所述多个圆柱形单元所形成的排列结构中，圆柱形单元在氧化钒薄膜所在的二维平面上呈正方形排布，圆柱形单元的底面半径r和所述正方形排列结构的排布周期，即正方形的边长a的，其比值r/a＝0.35。
在进一步的实施例中，所示排布周期a为500nm，所述的圆形单元的半径r为175nm。
根据上述改进，本发明的另一方面提出一种依据前述方法制备的具有周期结构的氧化钒薄膜。
利用本发明所提出的增加氧化钒薄膜近红外波段光吸收率的方法所制备的氧化钒薄膜，通过电磁场仿真，结果表明：与未采用光子晶体周期结构的氧化钒薄膜相比，基于本发明制造的氧化钒薄膜在700nm-1700nm波段吸收率明显高于前者，最大吸收率增幅达到28.47％。此外，与现有其他技术相比，本方法的制备过程中，可以精确控制薄膜的参数，相关化学腐蚀和光刻技术纯熟，所制得的氧化钒薄膜近红外透过率有稳定且明显的增加。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明提出的有效增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法所制备的氧化钒薄膜的示意图。
图2为图1中氧化钒薄膜的二维结构示意图。
图3为图1中氧化钒薄膜的吸收率-波长变化曲线。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的较佳实施方式，提出一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法，包括以下步骤：
通过化学腐蚀、光刻或压印中的一种，在氧化钒薄膜表面形成呈正方形排列的多个圆柱形单元，该多个圆柱形单元所形成的排列结构与空气形成折射率高低交错的光子晶体结构。
图1所示为利用上述方法制备得到的光子晶体氧化钒薄膜的示意图，其中标号1表示圆柱形单元(氧化钒)，标号3表示氧化钒薄膜基底，圆柱单元1处于空气(图2中的标号2)中。图中只是示例性给出了氧化钒薄膜的结构，具体的圆柱数量可以依实际情况而定。
前述方法在实施过程中，优选地，氧化钒基底3的厚度H为200nm，圆柱形单元1的高度h为250nm。
在可选的实施例中，在前述方法在实施过程中，多个圆柱形单元1所形成的排列结构中，圆柱形单元1在氧化钒薄膜基底3所在的二维平面上呈正方形排布，圆柱形单元1的底面半径r和正方形排列结构的排布周期，即正方形的边长a的，其比值r/a＝0.35。
本例中，优选地，所述排布周期a为500nm，所述的圆柱形单元的半径r为175nm。
如图1结合图2所示，依据本实施例中制得的二维光子晶体周期结构，其原胞为圆柱(标号1)，排布方式为正方排列。
如图1、图2所示，利用本实施例方法制备得到的氧化钒薄膜，通过仿真分析计算，并与无光子晶体结构的同等模型对比，所得吸收率曲线如图3所示。可以看出，由于实施例中光子晶体周期结构的引入，在近红外波段(700nm-1700nm)，氧化钒薄膜的光吸收率有了明显的提升。通过对整个波段的吸收率积分进行对比分析，吸收率的提升比率达到28.47％。从而明显地证实了本实施例所提出的方法在增加氧化钒薄膜吸收率方面的良效果。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (1)

1.一种增加氧化钒薄膜近红外波段吸收率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过化学腐蚀、光刻或压印中的一种，在氧化钒薄膜表面形成呈正方形排列的多个圆柱形单元，该多个圆柱形单元所形成的排列结构与空气形成折射率高低交错的光子晶体结构；
并且，在前述方法中，每个圆柱形单元形成一个圆柱形介质柱，介电柱的高度为250nm，氧化钒薄膜的厚度为200nm；
在前述方法中，所述多个圆柱形单元所形成的排列结构中，圆柱形单元在氧化钒薄膜所在的二维平面上呈正方形排布，圆柱形单元的底面半径r和所述正方形排列结构的排布周期，即正方形的边长a的，其比值r/a＝0.35；
所述排布周期a为500nm，所述的圆形单元的半径r为175nm。
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