多相共存二氧化钒超结构薄膜的制备与性能研究

Exploring new types of optoelectronic functional materials is the central issue in the development of new types of optoelectronic components in information technology. Vanadium dioxide， a phase change material with near room temperature metal-insulator transition temperature, has potential applications in memory devices, photo switchers, sensors and smart windows due to the great changes in optical and electrical properties before and after its phase change and nanosecond response time. To further promote the application of vanadium dioxide in information devices, we need to construct a new device structure based on vanadium dioxide. This project explores the direct preparation of vanadium dioxide films with periodic superstructure by polymer-assisted deposition methods and growth templates. At the same time, by tuning the doping types and concentrations in different areas, two phase, metal phase and insulating phase, can coexist in the vanadium dioxide super structure film in a certain temperature range. And then through the study of infrared and terahertz transmission, reflection and other properties, we can conclude the relationship between the structure, the coexistence of mixed-phase in particular, and the properties. At last, simulating the optical constants of vanadium dioxide super structure, interface and mixed-phase will be important for the construction of new optoelectronic devices.

探索新型的光电功能材料是解决信息技术中发展新型光电子元器件的最核心问题。二氧化钒作为一种相变温度在室温附近的金属-绝缘体相变材料，由于其相变前后光学及电学性能极大的变化以及纳秒级的响应时间，使得它存储器件、光电开关、传感器和智能窗等技术领域具有广泛的应用前景。而要进一步推动二氧化钒在信息器件中的应用，就需要构造基于二氧化钒的新型器件结构。本项目结合超材料的设计方法，利用高分子辅助沉积方法和生长模板探索直接制备出具有周期性超结构的二氧化钒薄膜的方法，同时通过控制不同种类和浓度的离子掺杂和掺杂位置，使得二氧化钒超结构薄膜在一定温度范围内存在金属相-绝缘相共存的状态，通过研究不同结构二氧化钒薄膜对红外光和太赫兹波的透射、反射等性能，系统地开展二氧化钒超结构薄膜中结构设计、多相共存与性能之间的关联，最后从理论上模拟二氧化钒超结构、界面以及多相共存时的光学常数函数，为构造新型光电器件建立基础。

二氧化钒在68摄氏度附近发生金属-绝缘体相变，其电学和光学性能在相变前后数量级的变化，使得它在存储器件、光电开关、传感器和智能窗等技术领域具有广泛的应用前景。但是要进一步拓展二氧化钒薄膜的在光电信息器件中的应用，就需要我们对其相变进行有序的调控，并设计新型的基于二氧化钒薄膜的器件结构，增强其器件的电学、光学性能。. 在本项目中，我们利用高分子辅助沉积方法，通过基片的不对称斜切应力，实现了薄膜相变温度的各向异性，通过对V的3d轨道的电子云分布的表征，揭示了二氧化钒相变过程中的d电子轨道占据态在二氧化钒反常相变中的重要作用；我们进一步利用钨离子的未占据的d电子轨道，进一步降低二氧化钒的相变温度，我们设计并制备了多层垂直堆叠的掺杂薄膜，在一定温度范围可以实现多层结构金属相-绝缘相共存的状态，研究结果证明膜层结构变化不仅可以降低二氧化钒多层薄膜的相变温度，同时可以改善薄膜的光学性能；由于我们前期的研究成果表明二氧化钒薄膜厚度的变化可以使得薄膜相变前后光学性能的调制发生反转，因此我们利用周期性的金属光栅结构，制备得到了平面方向具有厚度周期性变化的二氧化钒复合薄膜，其太赫兹性能表明利用薄膜表面高度差可以进一步增强太赫兹性能；本项目还利用范德瓦尔斯基底上生长的二氧化钒薄膜进一步揭示了缺陷对二氧化钒金属相中电子热输运的调控机理，金属相中点缺陷增加了弹性散射电子质量，提高了金属相中电子热导率。本项目的研究成果对于二氧化钒复合结构器件设计具有实际的应用价值，将来可以通过进一步完善器件结构中功能薄膜的厚度以及层数，在降低相变温度的同时增强器件的光学调控性能，使得其在激光防护等方面发挥其应用价值。. 负责人高敏2021年晋升教授，本项目相关成果，发表SCI论文14篇，中文论文1篇，申请中国发明专利5项，其中已授权1项，项目负责人在国际国内会议上邀请报告2次，口头报告2次。