用于抗激光致盲的氧化釩薄膜制備及光學(xué)相變特性研究.pdf

1、目前，激光戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略武器裝備得到了快速的發(fā)展，對(duì)于3~5μm、8~12μm波段制導(dǎo)用中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的抗激光致盲技術(shù)的研究也變得越來(lái)越重要。氧化釩薄膜具有最接近室溫的相變溫度，相變前后透過(guò)率發(fā)生很大變化，適于應(yīng)用在激光防護(hù)領(lǐng)域。本文對(duì)氧化釩薄膜開(kāi)展了相變機(jī)理研究和理論計(jì)算，研究了相變前后光學(xué)性質(zhì)變化以及組分改變相變溫度的情況。在硒化鋅基片上制備了氧化釩薄膜，對(duì)薄膜進(jìn)行了X射線電子能譜測(cè)試和數(shù)據(jù)擬合，并對(duì)其進(jìn)行了退火處理來(lái)調(diào)節(jié)薄膜內(nèi)組分。實(shí)

2、驗(yàn)測(cè)試了氧化釩薄膜相變前后的光學(xué)特性變化，制得的薄膜基本滿足要求。研究了通過(guò)退火工藝對(duì)組分控制的技術(shù)，探索到了一種新的非摻雜改變相變溫度的技術(shù)途徑。
　　采用 Material studio模擬工具的Castep程序包，利用局域密度泛函近似與贗勢(shì)技巧相結(jié)合的方法，采用BFGS算法對(duì)釩的氧化物體系的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，贗勢(shì)采用倒易空間晶格的超軟贗勢(shì)，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、晶體的光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷性質(zhì)（取代摻雜）在小于7μm波長(zhǎng)范

3、圍內(nèi)進(jìn)行了計(jì)算，并采用計(jì)算公式拓展對(duì)10.6μm下光學(xué)特性進(jìn)行了嘗試性計(jì)算，看到了一定的趨勢(shì)。對(duì)摻雜改變相變溫度機(jī)理進(jìn)行嘗試性計(jì)算，摻雜低價(jià)態(tài) Al、Ti、Sn的二氧化釩的能隙變大，可能提高 VO2由半導(dǎo)體態(tài)向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。而摻雜高價(jià)態(tài) W、F、Mo的VO2的能隙變小，可能有利于VO2的相變溫度降低。
　　不同溫度條件下的動(dòng)力學(xué)模擬采用 Castep模塊中的動(dòng)力學(xué)模擬程序，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、晶體的光學(xué)性質(zhì)以及組分對(duì)相

4、變溫度影響進(jìn)行了計(jì)算。得到了各釩氧化合物能帶和態(tài)密度曲線，吸光系數(shù)、折射率和透光率等光學(xué)參數(shù)，以及溫度對(duì)各曲線的影響，不同組分對(duì)相變溫度的影響。
　　提出參數(shù)設(shè)計(jì)制造了JGP560C8型超高真空多功能磁控濺射設(shè)備，用直流磁控濺射方法在鍺和硒化鋅基片上制備了氧化釩薄膜。采用在預(yù)處理室內(nèi)對(duì)基片進(jìn)行反濺處理的工藝解決了硒化鋅基片與氧化釩薄膜結(jié)合不好的難題，得到了氧氬流量比0.11、基片溫度450℃、濺射時(shí)氣壓2.2 Pa、濺射電流0.5

5、 A、電壓330 V、功率165 W和濺射時(shí)間180 s等最佳制備參數(shù)，經(jīng)過(guò)X射線電子能譜測(cè)試及數(shù)據(jù)擬合來(lái)得到薄膜內(nèi)組分情況。進(jìn)行了退火工藝的探索，通過(guò)對(duì)薄膜進(jìn)行4小時(shí)、450℃充氧或不充氧的退火處理，有效地改變了氧化釩薄膜的組分。
　　用吸收膜特征矩陣方法對(duì)符合相變前透過(guò)率82％，相變后透過(guò)率5%的薄膜厚度進(jìn)行了計(jì)算，膜層厚度應(yīng)為103nm。并采用實(shí)驗(yàn)室鍍膜設(shè)備的參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算濺射產(chǎn)額，進(jìn)而定量說(shuō)明磁控濺射可以通過(guò)改變工作參

6、數(shù)調(diào)節(jié)鍍膜速率，指導(dǎo)了氧化釩薄膜的制備，再用3分鐘制備時(shí)間的系數(shù)制備薄膜。用輪廓儀測(cè)得氧化釩薄膜厚度為125 nm，用紅外分光光度計(jì)測(cè)得薄膜相變前后透過(guò)率分別為79.2%和12.3%，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本相等。
　　搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別用 CO2激光器和 Nicolet8700型紅外分光光度計(jì)測(cè)試不同溫度下氧化釩薄膜在10.6μm的透過(guò)率，得到其相變前后的光學(xué)性能變化情況及相變溫度等參數(shù)，氧化釩薄膜的透過(guò)率可以從相變前半導(dǎo)體態(tài)的

7、70.8%，降低到相變后金屬態(tài)的11.3%，相變響應(yīng)時(shí)間小于50 ns。測(cè)試了激光對(duì)氧化釩薄膜相變的作用。光學(xué)特性變化幅度很大，且相變過(guò)程具有重復(fù)性。如果作成器件放置于探測(cè)器前，可以起到兼顧激光防護(hù)與接收信號(hào)的功能。
　　觀察并研究氧化釩薄膜不同組分降低相變溫度的情況，以及它對(duì)熱滯回線和相變前后透過(guò)率變化幅度等參數(shù)的影響，并在機(jī)理上進(jìn)行了一定的解釋。并可實(shí)現(xiàn)通過(guò)退火工藝來(lái)控制組分的變化，可以說(shuō)本論文探索到了一種新的非摻雜改變相變溫