【表面功能化】长春理工大学赵鑫/电子科技大学秦俊团队：镁掺杂对二氧化钒薄膜光学性能的影响
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2024-12-17 17:01
重庆
二氧化钒是一种相变材料，在电、光学和热激励下，其光学性质会发生剧烈变化。与硫系相变材料相比，二氧化钒具有低功耗和低绝缘到金属转变温度（约68 ℃）的优势，这使其可以应用于广泛的可调谐光子器件。然而，由于自由载流子的吸收，二氧化钒的金红石相存在较大的光学损耗，限制了其在光子器件中的性能。为了降低二氧化钒的光学损耗，人们开发了许多策略，如掺杂元素或引入本征缺陷。但是，由于折射率和损耗变化之间的耦合，折射率对比度也会降低。长春理工大学赵鑫/电子科技大学秦俊团队系统地研究了用于可调谐光子器件的掺镁二氧化钒外延薄膜的制备、表征和理论计算。随着镁掺杂浓度的增加，金红石相的二氧化钒消光系数降低。在中红外波段，镁掺杂量为11.9%（原子数分数）的二氧化钒薄膜的光学优值最大，相比未掺杂二氧化钒薄膜提升了3.7倍。根据第一性原理计算，当镁掺杂到二氧化钒中时，态密度在费米能级附近变得更加局域化，从而降低了光吸收并导致更高的光学优值。
关键词：二氧化钒；相变材料；镁掺杂；光学优值；脉冲激光沉积综上所述，利用脉冲激光沉积在氧化铝(0001)衬底上制备了外延镁掺杂二氧化钒薄膜。研究了未掺杂和不同掺杂浓度二氧化钒薄膜的晶体结构和原子构型。二氧化钒与蓝宝石衬底表现出良好的外延关系，晶面间存在(020)VO2//(0006)Al2O3。镁掺杂后，二氧化钒薄膜在金红石相中变得更加透明，同时折射率变化减小。当镁掺杂浓度达到11.9%时，由于镁掺杂诱导金红石相稳定，相变能力消失。镁掺杂二氧化钒薄膜在金红石相中显示出低消光系数（约为0.1），表明在这种情况下光学损耗较低。当镁掺杂浓度从0%提高至11.9%，在7.5 μm波长处的光学优值从0.35增加到1.32，比未掺杂的二氧化钒薄膜提高了3.7倍。第一性原理计算表明，高光学优值是由于镁掺杂后导带周围电子态密度的局部化造成的。该文章发表在《表面技术》第53卷第20期。
引文格式：赵鑫, 康同同, 梁潇, 等. 镁掺杂对二氧化钒薄膜光学性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(20): 183-189.
ZHAO
Xin, KANG Tongtong, LIANG Xiao, et al. Effect of Mg-doping on the Optical Properties of
Vanadium Dioxide[J]. Surface Technology, 2024, 53(20): 183-189.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.016
