基于VO2相变实现太赫兹波段宽带抗反射

刘俊星，索 鹏，傅吉波，薛 新，马国宏

1)上海大学理学院, 上海 200444；2)嘉兴学院南湖学院, 浙江嘉兴 314001

电磁波入射到由两种不同介质的界面时，会发生反射现象，其反射率由菲涅尔公式描述[1]．对于一个由许多光学元器件组成的复杂光学系统(如显微镜和望远镜等)，多个界面间的反射会造成光透过率的降低，可能导致视场较暗，成像不清晰．一般采用光学干涉原理在光学元器件表面制作多层介质膜结构，以提高光学透过率．这种方案尽管成熟，但存在明显不足：① 薄膜制备工艺复杂．为提高光学透过率，需制作十几甚至几十层抗反射薄膜[2]；② 所设计的抗反射层带宽较窄．尽管通过制作更多反射层可提高抗反射带宽，但能力十分有限．若在两种介质的界面间插入一层导电薄膜，则可以匹配界面介电常数，从而实现对入射电磁波的抗反射效果[3]．由于导电薄膜对电磁波具有宽谱响应，可以产生对入射波的宽带抗反射．

VO2是一种典型的温度依赖型金属-绝缘体相变材料，其相变温度tc～68 ℃，接近室温[6-7]．尤其是通过在VO2晶格中引入缺陷(掺杂)或制备VO2纳米晶，可调节其相变温度，使tc更接近室温，从而容易触发其发生金属-绝缘体相变[8]．如果在两种介质的界面间沉积一层VO2薄膜，通过薄膜温度调节其电导率，可以实现全波段抗反射效果．本文研究空气-VO2-石英界面间的反射现象，通过改变VO2薄膜的温度，实现了太赫兹波段(0.2～2.0 THz)的宽带抗反射．该研究结果也可拓展至可见光、红外及微波波段．

1 实 验

VO2薄膜通过反应式射频磁控溅射方法制备，制备过程中金属钒靶直径为50 mm，纯度大于99.9%，由循环水冷却．镀膜腔中充高纯Ar气和O2气，并按一定比例混合，薄膜厚度由沉积时间控制．本实验中VO2薄膜厚度d=200 nm，沉积在厚度为1 mm的熔融石英衬底上[9]．拉曼光谱表明，该VO2薄膜的相变温度区间为66～80 ℃，即当温度高于66℃时，VO2薄膜开始由绝缘相向金属相转变，到80℃时，薄膜完全转变为金属相．

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)系统对VO2薄膜的抗反射性质进行研究．THz-TDS系统的光源是掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器(Mai Tai HP，Spectra-Physics)，其产生中心波长为800 nm，重复频率为80 MHz，脉冲宽度为100 fs的激光．激光经过分束后分别入射到2个低温生长GaAs基光电导，实现THz脉冲的产生和检测．通过改变泵浦光和探测光的相对时间延迟，可以得到太赫兹辐射场的时域光谱[8]．样品置于一个温度调节范围为25～150 ℃的加热炉内．样品处太赫兹光斑直径约3 mm，本实验中光谱有效范围为0.2～2.0 THz．

2 结果与讨论

图1 不同温度下200 nm VO2-石英衬底的太赫兹透射 时域光谱及太赫兹脉冲经过复合界面的二次反射示意图Fig.1 The THz transmittance time-domain spectroscopy of 200 nm VO2-silica substrate at various temperatures and the diagram of second-order THz pulse across a composite interface

图1给出4种不同温度下VO2薄膜的太赫兹透射时域光谱．其中，延迟时间在7 ps左右是太赫兹的主透射脉冲．当温度由70 ℃升至73 ℃过程中，太赫兹主透射峰幅度逐渐减小，这是由于高温下VO2薄膜由绝缘态转变为金属态．当VO2为金属相时，反射发生在VO2-石英界面；一般情况下，在空气-VO2和VO2-石英界面均反射太赫兹波；当VO2的电导率满足Z0σd=ns-na时，界面无反射现象．在延迟时间为14 ps左右出现一个小的突起，其来源于太赫兹脉冲在石英衬底前后两界面的反射，称为太赫兹脉冲的二次反射，如图1(b)．有趣的是，太赫兹二次反射的相位与温度密切相关，从图1(a)插图明显可见，对于温度t=70 ℃和71 ℃，二次反射峰与主峰相位一致，而当t=72 ℃和73 ℃时，反射峰的相位与主峰相位相反．尤其是当t=72 ℃时，反射峰幅度很小，几乎消失，可以推测，如果温度在71～72 ℃精确调节，可将二次反射峰完全消失．

图2(a)给出更大温度范围(60～90 ℃)的太赫兹透射时域光谱，图2(b)是图2(a)经快速傅里叶变换后的频域谱图．由图2可见，在温度60～67 ℃，太赫兹透射谱几乎无任何变化．从67 ℃开始，其透射率随温度升高而逐渐降低．这表明，温度低于67 ℃时，VO2薄膜处于完全绝缘状态，对入射太赫兹波无明显影响．当温度高于67 ℃时，VO2薄膜开始发生绝缘体-金属相变，其电导率随温度升高而显著增加．当温度高于85 ℃时，VO2几乎全部是金属相，再升高温度，对太赫兹的透过率影响有限．

图2 不同温度下VO2/石英的透射时域光谱及频域光谱Fig.2 The time-domain and frequency-domain spectros- copy of VO2/silica substrate at various temperatures

在空气与石英界面间插入厚度d=200 nm的VO2薄膜时，使太赫兹二次反射峰消失的条件为Δn=0， 即ns-na=Z0σd．可见，通过调节薄膜的电导率σ[4]或薄膜的厚度d[10]， 均可以获得抗反射效应．

以下分析VO2薄膜电导率色散随温度的变化情况．由于较低温度下(如60 ℃)VO2薄膜表现出完全绝缘特性，此时可认为其电导率为0，即σ60=0． 较高温度下(t>60 ℃)THz透过率与t=60 ℃时的比值ΔT(t)为[4]

(1)

考虑到低温下VO2薄膜的绝缘性，即σ60=0

(2)

(3)

图3 不同温度下VO2薄膜的THz归一化 透过率频谱及其电导率色散关系Fig.3 The normalized THz transmittance spectrum and the calculated conductivity dispersion of VO2 thin film at various temperatures

图3(a)为不同温度下THz透过率与t=60 ℃时太赫兹透过率的比值ΔT(t)． 利用式(3)可计算出不同温度下VO2薄膜的电导率色散曲线，如图3(b)，此时VO2薄膜厚度为d=200 nm．可见，在0.2～2.0 THz范围，随温度增加，VO2薄膜的电导率由低温下接近0增加到t=70 ℃的约0.3×104Ω-1m-1，到t=90 ℃的约3.5×104Ω-1m-1．此外，VO2薄膜的电导率在观测频段(0.2～2.0 THz)几乎是平整的，不随频率出现较大色散．这也表明VO2薄膜高温下表现为金属行为．

研究还发现，VO2薄膜的升温和降温过程存在热滞回线现象．图4给出升温和降温过程太赫兹峰值透过率的变化．要达到相同太赫兹透过率，升温过程和降温过程所对应的温度不同．实验中的温度变化范围为50～90 ℃，对于本实验所用样品，温度差高达约10 ℃．实验结果表明，升温与降温过程所对应的温度差与VO2薄膜质量有很大关系．对于外延生长在蓝宝石衬底上的VO2薄膜，其温度差较小．由于所用的衬底是熔融石英玻璃，生长的VO2薄膜晶体为多晶结构，微晶间存在较多的晶界，晶界基本上是非晶态．非晶态VO2具有较宽的相变温区，所以观测到的热滞回线存在较宽温区．

图4 VO2薄膜的峰值透过率随温度关系Fig.4 The transmittance peak as a function of temperature

结 语

本研究利用在石英玻璃表面生长一层200 nm厚的VO2薄膜．通过改变样品温度，可实现空气与石英玻璃界面的折射率匹配，从而实现太赫兹波段的宽谱抗反射效应．实验还获得不同温度下VO2薄膜的电导率色散曲线．结果表明，利用温度诱导VO2薄膜的绝缘体-导体相变，可用于研制太赫兹波段宽带抗反层．

致谢: 感谢中国科学院硅酸盐研究所姜蒙博士在VO2薄膜制备方面提供的帮助！