二氧化釩材料相變的太赫茲光譜與陣列成像

二氧化釩（VO?）材料是一種具有絕緣態到金屬態可逆相變特性的材料，在光器件及信息技術中有非常廣泛的應用。研究表明，相變前后材料結構的變化使得VO?對紅外光呈現出由透射向反射的可逆轉變。VO?材料在太赫茲（THz）頻段也有類似的獨特性能。隨后，國內外研究者們開展了VO?材料在THz頻段的薄膜相變特性研究，主要包括熱致相變、電致相變、光致相變等。VO?薄膜在上述研究過程中表現出來的電學和光學性能，目前已成為THz頻段超材料、功能性器件研究的熱點，有望在THz開關、頻率選擇器和調制器等方面獲得廣泛應用。

對于VO?材料，大多數情況都是研究其薄膜的特性。然而，當材料作為調制器等功能器件來使用時，包括襯底、過渡層和薄膜樣品在內的整個材料的光譜特性的研究顯得更為重要和直觀。在THz頻段，傅里葉變換光譜測量技術是研究1.5~20.0THz范圍內材料光譜最常用的技術手段。與紅外光頻段的應用相似，THz頻段物質的透過率、反射率、吸收率以及偏振特性等均可以采用上述傅里葉變換光譜技術來直接測量或間接獲得。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所太赫茲固態技術重點實驗室研究團隊在《太赫茲科學與電子信息學報》期刊上發表了以“二氧化釩材料相變的太赫茲光譜與陣列成像”為主題的文章。

該文章首先采用傅里葉變換光譜測量技術，測量分析了硅基VO?材料在2.5~20.0THz頻段的透射譜和反射譜。為了體現樣品作為調制器的整體特性，測量了包含硅襯底、過渡層和VO?薄膜在內的整個材料的光譜特性。同時，為了對比在4.3THz處的光譜測量結果，采用一套工作頻率為4.3THz的陣列成像系統，測量分析了上述硅基VO?材料相變前后的透過性差異。在透過率方面得出了與光譜測量結果相吻合的結論，最終獲得了硅基VO?材料整體作為調制器時最大最小透過率幅度的變化，從而為進一步開發3.0THz以上硅基VO?調制器以及調制器性能的研究奠定了很好的基礎；同時借助電驅動VO?相變的手段，有望在THz高速調制技術方面獲得重要應用。

VO?薄膜參數

VO?薄膜的制備方法有很多，主要包括分子束外延（MBE）、化學氣相沉積（CVD）、脈沖激光沉積（PLD）以及磁控濺射法（MS）等，本文所用樣品具體制備方法為濺射氧化耦合法（SOC），即首先將HRSi襯底氧化，在HRSi表面形成一層二氧化硅（SiO?）薄層作為過渡層，然后采用直流磁控濺射技術在SiO?表面沉積金屬釩薄膜，最后在約740K的空氣環境下對金屬釩薄膜進行充分氧化，使之形成VO?薄膜。其中HRSi襯底直徑為15mm，電阻率>5000Ω·cm，HRSi/SiO?/VO?的厚度分別為500μm/20nm/1000nm。硅基VO?樣品的材料結構示意圖如圖1所示。

圖1 硅基VO?材料結構示意圖

測量系統介紹

THz光譜測量系統

傅里葉變換光譜測量系統是THz頻段非常傳統的光譜測量手段，它是一種基于邁克爾遜干涉儀來實現光譜測量的儀器，這種儀器利用氦氖激光器的半波長（316.4nm）作為邁克爾遜干涉儀中動鏡移動的基準長度，通過將寬譜輻射源形成的干涉信號進行離散化處理，獲得輻射能量隨動鏡位置的變化曲線，最后采用傅里葉變換，將上述曲線通過特定的取值函數進行優化，得到能量隨波數（頻率）的變化和分布，即光譜曲線。在光譜測量過程中，為了同時獲得VO?樣品上某一個點的透射和反射信息，采用與光譜儀（BRUKER VERTEX 80v）匹配的11°（入射角）透/反射樣品架來實現，測量時入射光從有VO?薄膜的一側入射；樣品溫度的控制則采用一個變溫杜瓦（OXFORD CF-V）來實現。光譜測量過程中樣品腔（sample cavity）內部結構及光路示意圖如圖2所示，其中樣品透射和反射譜信息的測量通過旋轉反射鏡（rotating mirror）來切換。光譜測量時，Globar光源的光闌孔徑設置為3mm，光譜分辨力設置為2cm?1；被測樣品的變溫范圍為293~350K。

圖2 THz傅里葉變換光譜儀樣品腔內部結構及光路示意圖

THz陣列成像系統

上述變溫THz光譜測量系統揭示的是不同頻率處樣品相變過程呈現的透過率和反射率變化，為了揭示整個樣品不同區域的相變過程，本文采用一套THz陣列成像系統對VO?相變過程的透過性進行了測量，測量裝置示意圖如圖3所示。成像系統所用的光源為THz量子級聯激光器（QCL），其激射頻率為4.3THz，THz QCL發出的激光在經過二維擺鏡（2D wobbling mirror）勻束后，被一個THz頻段的高密度聚乙烯（HDPE）透鏡（lens）會聚成平行束，平行束經過樣品載板后，到達帶鏡頭的THz陣列探測器，經二維擺鏡勻束后的成像光斑直徑可達42mm，被成像樣品放置于樣品載片上進行THz頻段的透射成像，上述陣列成像系統的單幀成像時間約0.23s，對應成像幀率8.5Hz，陣列的單像元尺寸為23.5μm，像素為320×240。

圖3 THz陣列成像系統光路結構示意圖

太赫茲光譜測量與陣列成像結果

光譜測量結果

為了直接獲得樣品本身作為相變應用材料的整體性能，采用圖2所示的可變溫透/反射光譜測量附件，測量得到了293~350K溫度范圍內整個硅基VO?材料在2.5~20.0THz頻段的透射譜和反射譜，測量結果如圖4所示。光譜測量結果表明，硅基VO?材料對THz輻射既具有透射調制功能，也具有反射調制功能。值得注意的是，同一溫度下，材料在2.5~20.0THz范圍內的反射率變化率差異不大，說明硅基VO?材料在制備超寬譜THz反射調制器方面具有很好的優勢。此外，由于一定厚度的藍寶石襯底在THz頻段的透過率較低，而摻雜硅襯底在THz頻段存在很強的自由載流子吸收，也進一步說明了上述基于高阻硅襯底生長的VO?在THz頻段作為調制器材料的應用潛力和優勢。

圖4 樣品透射譜和反射譜

為了獲得某一頻率處硅基VO?材料的透過率、反射率和吸收率隨相變溫度的變化，從圖4的光譜中將4.3THz處的隨溫度變化的光譜信息提取出來，結果如圖5所示。硅基VO?薄膜材料透過率和反射率快速變化的溫度范圍為334~341K（68℃），對應溫差為7K，相變前后樣品對4.3THz輻射的透過率變化達40%以上，反射率變化接近30%。

圖5 在4.3THz處，硅基VO?材料相變時的透過率、反射率和吸收率隨溫度的變化曲線

陣列成像結果

為了獲得上述硅基VO?材料不同區域的相變情況，采用一套4.3THz的陣列成像系統獲取了該樣品材料由金屬態變為絕緣態的THz圖像。由于成像系統中豎直成像光路的設置，樣品加熱過程無法直接在光路中進行，為此先將成像系統調試至最佳狀態，然后用外部加熱臺將樣品充分加熱至金屬態，之后迅速將樣品放入成像區域進行成像和數據獲取，同時觀察陣列成像系統中樣品的圖像變化。當樣品的THz圖像基本無太大變化時，即樣品轉變成絕緣態時，再次進行樣品成像和數據獲取。上述測量結果如圖6所示，其中圖6（a）為金屬態下的THz圖像，圖6（b）為絕緣態下的THz圖像。為從THz圖像信號中估算樣品的透過率，取圖6（a）和圖6（b）中從頂部開始的第192行數據，分別將金屬態和絕緣態樣品對應的THz圖像信號幅值繪制成按水平方向像素分布的曲線，如圖6（c）所示。

圖6 硅基VO?材料相變的成像透過率分析

上述THz陣列成像過程獲得了整個硅基VO?材料相變時的透過率變化和相變時間，計算得到樣品在金屬態和絕緣態下的透過率與傅里葉變換光譜測量得到的結果相近。進一步驗證了硅基VO?材料作為THz頻段透射調制器的可行性。不過，由于上述陣列成像系統中THz陣列探測器的成像速度并不是很快，且在圖像獲取過程中并沒有充分發揮THz陣列探測器的時間分辨優勢，因此，未來可采用成像速度更快的高速THz成像系統揭示VO?材料的快速相變過程。

結論

本文采用變溫傅里葉變換光譜測量技術，測量分析了一種磁控濺射氧化耦合法生長的硅基VO?材料在相變過程的光譜特性，獲得了整個樣品在2.5~20.0THz頻段透射譜和反射譜隨溫度的變化。研究結果表明，當溫度從293K升至350K時，硅基VO?材料從絕緣態轉變成金屬態，對應材料在4.3THz處的透過率由47.4%降至5.8%，透過率變化超過40%，反射率則從48.5%升至78%，反射率變化近30%。為了進一步獲得硅基VO?材料在相變過程中各區域的透射特性，采用一套4.3THz的陣列成像系統，測量了該樣品整個區域在相變前后的THz圖像及相應的透射信號，獲得了該材料由金屬態轉變為絕緣態時，其對4.3THz激光信號的透過率由6.7%升至50.7%，透過率變化為44%，與傅里葉變換光譜測量結果相當。上述研究結果為硅基VO?材料用于2.5THz以上電磁輻射的透射調制和反射調制提供了很好的實驗數據支撐，在結合光致相變和電驅動相變等調制手段后，有望在2.5THz以上頻段的快速調制技術中獲得應用。

審核編輯：劉清