一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法及由其制备的氧化钒薄膜的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，包括以下步骤：在氧化钒薄膜表面通过蚀刻或压印，形成呈三角形排列的多个正方单元结构，该结构与空气组合形成折射率高低交错的二维光子晶体周期结构。本发明还涉及一种由上述方法制备的氧化钒薄膜。本发明的方案利用周期结构的禁带特性，可显著增加氧化钒薄膜在近红外波段的透射率。
【专利说明】一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法及由其制备的氧化钒薄膜
【技术领域】
[0001]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透射率的方法及由其制备的氧化钒薄膜。
【背景技术】
[0002]红外探测器是将入射的红外辐射信号转换为电信号输出的光电转换器件。为了更好地收集入射光的信息，需要探测器在可见光到近红外波段都具有良好的光谱响应。目前的红外探测器在可见光区域灵敏度较好，但在近红外波段的灵敏度普遍不理想，器件探测效率较低。故而需要研究提高器件近红外波段探测效率的方法。
[0003]过渡元素钒具有优异的物理、化学性质，在低温条件下，VO2具有红外敏感性，其半导体相对红外光有较高的透射率，是制备高透射率薄膜的良好材料。但直接利用氧化钒的光电特性进行红外成像技术比较复杂。目前提高氧化钒薄膜射率主要有以下方法:掺杂重金属法，如掺杂钨、金等，利用金属的掺杂特性提升改变晶体的透射特性；改变氧化钒晶粒尺寸，通过调整氧化钒晶粒的尺寸，以调增薄膜的透射率；改进制备工艺，如控制氧化钒晶体形成过程中热处理温度，退火温度等工艺，制备有较高透射率的薄膜。但是上述改进方法均存在一定的不足和缺陷，如制备过程复杂，控制难度较高；薄膜透射率提升不明显或提升范围小，无法付诸实际应用等。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，利用周期结构的禁带特性来增加氧化钒薄膜在近红外波段的透射率。
[0005]本发明的另一方面还涉及一种利用上述方法制备的氧化钒薄膜。
[0006]为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0007]一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，包括以下步骤:在氧化钒薄膜表面通过蚀刻或压印，形成呈三角形排列的多个正方单元结构，该结构与空气组合形成折射率高低交错的二维光子晶体周期结构。
[0008]进一步的实施例中，在前述方法中，形成介质柱形状的正方单元，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度相同。
[0009]进一步的实施例中，在前述方法中，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度均为200nmo
[0010]进一步的实施例中，在前述方法中，形成多个呈三角形排列且端面为正方形的正方单元，各正方单元在二维上呈正六边形排布，其占空比r/a = 0.35，其中r为所述正方形的边长，a为所述正六边形排布的排布周期，即正三角行或正的间距。
[0011]进一步的实施例中，所述排布周期a为500nm,所述正方形边长r为175nm。
[0012]根据上述改进，本发明的另一方面提出一种氧化钒薄膜。[0013]利用本发明所提出的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法所制备得到的氧化钒薄膜，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，利用本发明制备的氧化钒薄膜的透射率在红外波段明显高于前者，其最大透射率增幅可达12%。此外，与现有其他方法相比，本方法的制作过程精确可控，蚀刻和压印技术纯熟，得到的近红外波段透过率在一定宽的波段内稳定且有明显的增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为利用本发明较优实施例增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法制备得到的氧化钒薄膜的示意图。
[0015]图2为图1中氧化钒薄膜的二维光子晶体周期结构的示意图。
[0016]图3为图2所示二维光子晶体周期结构的能带示意图。
[0017]图4为图2所示二维光子晶体周期结构的禁带变化示意图。
[0018]图5a、5b分别为对比的方形_正方周期结构示意图及其能带变化示意图。
[0019]图6a、6b分别为对比圆形_三角周期结构示意图及其能带变化示意图。
[0020]图7a、7b分别为对比圆形_正方周期结构示意图及其能带变化示意图。
[0021]图8为图1中氧化钒薄膜的透射率-波长变化关系曲线。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]根据本发明的较佳实施方式，提出的一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其实现包括以下步骤:在氧化钒薄膜表面通过蚀刻或压印，形成呈三角形排列的多个正方单元结构，该结构与空气组合形成折射率高低交错的二维光子晶体周期结构。
[0024]图1所示为利用上述方法制备得到的氧化钒薄膜的示意图，其中标号I表示正方单元(氧化钒V02)，标号2表示氧化钒基底即氧化钒薄膜，标号3表示空气。当然，在图中，各正方单元仅仅是示例性地表示，并未对所有的正方单元均标出。
[0025]在可选的实施例中，在前述方法在实施过程中，形成介质柱形状的正方单元，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度相同。
[0026]优选地，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度均为200nm。
[0027]在可选的实施例中，在前述方法在实施过程中，形成多个呈三角形排列且端面为正方形的正方单元，各正方单元在二维上呈正六边形排布，其占空比r/a = 0.35，其中r为所述正方形的边长，a为所述正六边形排布的排布周期，即正三角行或正的间距。
[0028]优选地，所述排布周期a为500nm,所述正方形边长r为175nm。
[0029]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，其原胞为正方形(标号I表不的氧化f凡正方单兀)，排布方式为三角排列。
[0030]如图2，所形成的正方单元为介质柱形状的正方单元，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度相同。介质柱的材料为VO2，折射率η = 2.04。
[0031]作为一个可选的实施方式，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度均为200nm。如图1所示，基底材料同为η = 2.04的VO2,为一边长2400nm的正方板状体。
[0032]所述呈三角形排列的正方单元，其端面为正方形，各正方单元在二维上呈正六边形排布，其占空比r/a = 0.35，其中r为所述正方形的边长，a为所述正六边形排布的排布周期，即正三角行或正的间距。
[0033]作为一个可选的实施方式,所述排布周期a为500nm,所述正方形边长r为175nm。
[0034]如图1、图2所示，利用本实施例的方法制备得到的氧化钒薄膜，其能带图如图3所示，可以看出其禁带位于a/λ e [0.43,0.55], Δ (a/λ ) =0.12。结合图4所示的本实施例的二维光子晶体周期结构的禁带变化，结合图5a、5b (方形-正方周期结构)、6a、6b (圆形-三角周期结构)、7a、7b (圆形-正方周期结构)所示，分别为不同光子晶体结构的结构示意及其能带变化示意，占空比r/a从0.15到0.4范围内能带的变化情况,可以看出，方形-三角排列的光子晶体结构结构有最宽的光子晶体禁带。故而在本发明的上述实施例中，选取该结构用于表面周期结构氧化钒薄膜的构建。
[0035]氧化钒在68°C时发生半导体到金属的可逆相变，其结构由低温时的单斜晶系结构转变到高温时的四方晶系结构。伴随着晶格结构的变化，氧化钒的光透过率和反射率等发生突变。低温条件下，它的半导体相对红外光有较高的透过率，而在高温状态下对红外光的透射率很低，在相变点处透射率呈现突变，表现出明显的温度相变特性。
[0036]本实施例中，对基于表面周期结构的氧化钒薄膜(如图1、2所示)进行建模和仿真。通过模拟结算，并将所得的结果绘制成曲线如图8，其中简单薄膜为无光子晶体结构的同等模型，可以看出由于本实施例中二维光子晶体周期结构的引入，在500nm(可见光)到3500nm(中波红外)，氧化钒薄膜的透射率明显高于普通的氧化钒薄膜。此外在700nm-1500nm波段，透射率的增加尤为明显，从而表现出了本实施例的方法在增加氧化钒薄膜透射率方面的良好效果。
[0037]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。
【权利要求】
1.一种增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其特征在于，包括以下步骤:在氧化钒薄膜表面通过蚀刻或压印，形成呈三角形排列的多个正方单元结构，该结构与空气组合形成折射率高低交错的二维光子晶体周期结构。
2.根据权利要求1所述的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其特征在于，在前述方法中，形成介质柱形状的正方单元，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度相同。
3.根据权利要求2所述的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其特征在于，在前述方法中，介质柱的高度与氧化钒薄膜的厚度均为200nm。
4.根据权利要求1所述的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其特征在于，在前述方法中，形成多个呈三角形排列且端面为正方形的正方单元，各正方单元在二维上呈正六边形排布，其占空比r/a = 0.35，其中r为所述正方形的边长，a为所述正六边形排布的排布周期，即正三角行或正的间距。
5.根据权利要求4所述的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法，其特征在于，所述排布周期a为500nm,所述正方形边长r为175nm。
6.一种氧化钒薄膜，其特征在于，根据权利要求1所述的增加氧化钒薄膜近红外波段透射率的方法制备。
【文档编号】G02B1/00GK103955012SQ201410164376
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】洪玮, 王哲, 陈钱, 顾国华 申请人:南京理工大学