基于氧化钒的中红外表面等离子体激元及其应用研究

中红外波段表面等离子体激元（SPP）现象与工作在可见光和近红外波段的金属SPP不同，依赖于非金属导电材料如高掺杂硅和导电金属氧化物等，是一个新兴还未开发的研究领域。本项目提出一种基于热敏电阻氧化钒（VOx）的中红外SPP新材料体系，通过VOx或金属掺杂VOx薄膜的SPP特性以及与微纳结构的光学耦合作用原理研究，探索在中红外波段有效激发SPP和通过微结构参数调节SPP波长的方法。在此基础上，将VOx中红外SPP共振吸收原理与VOx的高电阻温度系数结合起来，形成具有片上红外选频功能的非致冷探测技术新原理器件，为中红外波段的生化分析、化学物质识别和红外特征光谱探测和光谱成像探测提供一条新途径。

本项目研究基于VOx薄膜材料的中红外表面等离子体原理及其应用，在理论模拟和原型器件上均取得了一定的进展。首先基于Drude和Lorenz模型理论拟合实验测量VOx薄膜的红外反射谱，获得VOx的光学常数和等离子体参数；其次，理论设计和实验研究了基于中红外SPP原理的红外吸收结构及基于这种吸收结构的线列微测辐射热计，制备了高灵敏的红外探测器；进一步，提出了一种基于FET结构的电调节VOx光谱探测器，并基于COMSOl多物理场耦合仿真软件分析了这种探测器的电可调红外光谱吸收特性；采用MEMS工艺成功制作了含有一维光栅栅极的FET电可调VOx光谱探测器，实验测试表明在中长波红外均可在一定范围调节吸收谱段。这种新结构器件可用于可调红外光谱热像仪上。