CN114665859B - 一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控的红外光开关 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关，属于光开关技术领域。该光开关同时集成了热电调控，采用图案化金属结构作为加热电路，使得二氧化钒处于渗流阈值附近，形成孤立的金属畴，即二氧化钒薄膜始终处于相变温度附近；同时在二氧化钒薄膜上设置叉指电极，通过施加电场使得金属相的体积分数增加从而形成长程渗滤通道，驱动二氧化钒薄膜发生相变，从而实现低电场下光开关的快速响应。

Description

一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控的红外光开关

技术领域

本发明属于光开关技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控的红外光开关。

背景技术

光开关是一种能够实现对光传输线路或者集成光路中光信号进行物理切换或者逻辑操作的器件，在许多领域均有着重要的应用。

根据不同的光开关原理，光开关的实现方法主要有传统式机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合到传输端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。然而这类光开关回波损耗低，而且受外界环境温度影响大，距离真正实现商业化还有一定差距。微电子机械光开关(MEMS光开关)是将半导体加工技术和微机械技术相结合，形成一个微机-电-光一体化的开关；然而MEMS光开关在制备工艺上要求较高，使用过程中对结构完整性、微镜的灵活性和工艺的稳定性均有很高的要求，因此在光网络信息传输时的连续性和稳定性上提出了新的挑战。热光开关是利用热光效应制造的小型光开关；热光效应是指通过电流加热的方法使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。这类开关具有良好的稳定性和可靠性，通过温度控制开关状态，可控性较好；另外选用导热率低而热光系数高的材料制备，在低功耗要求上具有明显的优势，但热光开关一般相应时间慢，插入损耗大。电光开关一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等方法使光强突变或光路转变，从而实现光的开通与关断；但一般电光开关的装置设计较为复杂，且调控电压较高。

近年来，基于相变材料的智能光学开关引起人们的关注。二氧化钒(VO₂)是一种具有相变特性的过渡金属氧化物，由于其超高速、高空间分辨率、近室温转变和与微细加工工艺兼容等特点，在光开关应用方面具有很好的前景。当温度升高到相变温度后，二氧化钒将发生从绝缘态到金属态的快速、可逆的突变，相变前后其电学特性、光学特性等都会发生明显变化。二氧化钒的电阻变化能达到4～5个数量级，对红外光的透射也会呈现出低温高透、高温低透的现象，非常适合作为红外开关材料。然而，二氧化钒的相变温度在68℃左右，室温下难以最大化发挥其特性。二氧化钒红外开关在实现高灵敏度和低电压调控上存在矛盾，采用热光效应制备的二氧化钒红外开关具有在灵敏度方面仍有待提高，采用电光效应制备的二氧化钒红外开关需要施加大电压或大功率才能实现较好开关效果。

因此，如何设计基于二氧化钒薄膜材料的红外光开关，并使得该光开关能够在室温下实现低电压调控，且具有灵敏度较高的优势，就成为研究热点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关。该光开关同时集成了热电调控，采用图案化金属结构作为加热电路，使得二氧化钒处于渗流阈值附近，形成孤立的金属畴，即二氧化钒薄膜始终处于相变温度附近；同时在二氧化钒薄膜上设置叉指电极，通过施加电场使得金属相的体积分数增加从而形成长程渗滤通道，驱动二氧化钒薄膜发生相变，从而实现低电场下光开关的快速响应。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关，从下至上依次为金属加热回路、衬底、二氧化钒薄膜和叉指电极；

所述叉指电极用于电场调控，使二氧化钒薄膜发生相变，相变前，二氧化钒薄膜为绝缘态，对红外光透明，此时对应“通”状态；相变后，二氧化钒薄膜为金属态，对光不透明，具有全反射特征，此时对应“关”状态；

所述金属加热回路用于热调控，使二氧化钒薄膜始终处于二氧化钒的渗流阈值附近，即使二氧化钒薄膜中金属相体积分数占比1/3；金属加热回路包括加热区域、透光区域和电极组成，其中，加热区域为两个开口相向、对称设置的凹字形结构形成，两个凹字形凹陷相对区域构成透光区域，加热区域通过分别与两个电极电连接；加热区域由电阻丝均匀布满整个衬底得到，其中，透光区域不设置电阻丝，面积为a，衬底面积为A，则电阻丝的填充率为z，z＝(A-a)/A。

进一步地，所述衬底材料为硅、氧化硅或Al₂O₃等。

进一步地，所述二氧化钒薄膜相变前后电阻变化倍数应高于3个数量级，对红外光的透射率变化高于60％；二氧化钒薄膜的厚度会影响薄膜的相变温度、滞回宽度，影响器件光学透过率的调制比；优选为150nm以上。

进一步地，所述金属叉指电极为导电性良好材料，具体为Au、Ti、Pt或Cu等，叉指电极的指宽度和指间距小于100μm。

进一步地，所述金属加热回路为导电性良好材料，具体为Au、Ti、Pt或Cu等；金属线的宽度及线间间距小于100μm，形状具体为蛇形、折线形以及其他分形结构等。

进一步地，所述金属叉指电极及金属加热回路中的电极通过银浆或银漆粘接引线，或者通过焊锡点焊接引线与驱动电源连接，以施加外加的电场驱动电压。

进一步地，透光窗口为圆形或正方形，面积大小由红外光的光斑直径决定。

一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗衬底，将衬底依次经丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，随后用氮气吹干备用；

步骤2：通过高分子辅助沉积法(Polymer assisted deposition,PAD)在衬底上制备二氧化钒薄膜；

步骤3：采用磁控溅射在步骤2制备好的二氧化钒薄膜表面沉积图形化的金属电极，其中图形化所用掩膜由激光切割制备，经热释放胶转印至薄膜表面；

步骤4：将导电铜箔采用激光切割工艺制备出预加工的图案，随后经水溶胶转印到步骤3得到的样品中蓝宝石的背面，即得到金属加热回路。

本发明的机理为：二氧化钒是一种典型的具有相变特性的过渡族金属氧化物，通过对其施加热、电、光等刺激都可以导致二氧化钒产生绝缘体-金属相变。热致相变需要将二氧化钒加热至相变温度以上，电致相变由于电场的作用导致相变速度远高于热致相变。本发明提供的基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关，同时集成了热电调控，热场使得二氧化钒处于渗流阈值附近，形成孤立的金属畴，此时施加电场使得金属相的体积分数增加从而形成长程渗滤通道，能够实现低电场下的快速调控。因此，通过控制叉指电极与金属加热回路的线宽等参数，提供高电场和快速热场，能够驱动二氧化钒快速相变，进而提高响应时间。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外开关，采用热电协同调控方式，金属叉指电极为红外开关提供电场驱动，调控阈值低，能驱动二氧化钒发生快速相变；金属加热回路设有透射窗口，加热效果均匀稳定，易于控制，且热场控制电压低，使得二氧化钒能够保持在相变温度附近，将初始状态移至“相变边界”；因此，整个光开关的设计使其提高了器件的灵敏度，同时具有更快的开关速度及更低的调控电压，在节约功耗方面具有明显优势。

2、本发明光开关施加的热场和电场分别位于二氧化钒薄膜的上下两端，分别有各自的控制电路，可以分别控制，减小两种场互相的依赖性及相互影响，调控具有独立性和便捷性，对于器件不同的工作环境，需要根据环境调节控制热场和电场的电压值，独立控制可以提高可适应性。同时可以任意调节热场和电场的值进行组合，固定结构设计及材料下，恢复时间与响应时间存在折中关系，热场越大提供的热效应越强，加上二氧化钒本身的热滞现象，散热一定的情况下，器件恢复到初始状态就更难，不利于恢复时间。因此，本发明可以通过控制热场的加载时间进行补偿，提前撤去热场，补偿掉热滞及可能存在的多余的热效应。除此之外，光开关的制作方法简单、成本低、工作稳定性好。

附图说明

图1为本发明热电协同调控红外光开关结构示意图。

图2为本发明热电协同调控红外光开关的制备流程示意图。

图3为对比例1仅为电场调控的红外光开关的结构示意图。

图4为对比例2仅为热场调控的红外光开关的结构示意图。

图5为本发明实施例1、对比例1和对比例2的红外光开关的开关性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外光开关，其结构示意图如图1所示，从下至上依次为：金属加热回路、衬底、二氧化钒薄膜和叉指电极；

所述叉指电极用于电场调控，使二氧化钒薄膜发生相变，相变前，二氧化钒薄膜为绝缘态，对红外光透明，此时对应“通”状态；相变后，二氧化钒薄膜为金属态，对光不透明，具有全反射特征，此时对应“关”状态；叉指电极的电场主要是作用于二氧化钒内部载流子，使薄膜不需要达到相变温度点就可以发生相变；

所述金属加热回路用于热调控，使二氧化钒薄膜始终处于相变温度附近(使得二氧化钒中金属相体积分数占比为1/3)；金属加热回路包括加热区域、透光区域和电极组成，其中，加热区域为两个开口相向、对称设置的凹字形结构形成，两个凹字形凹陷相对区域构成透光区域，加热区域通过分别与两个电极电连接；加热区域由电阻丝均匀布满整个衬底得到，其中，透光区域不设置电阻丝，面积为a，衬底面积为A，则电阻丝的填充率为z，z＝(A-a)/A。

实施例1

一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控红外开关的制备方法，其流程示意图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：清洗Al₂O₃衬底，将衬底依次经丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，随后用氮气吹干备用；

步骤2：根据高分子辅助沉积法(Polymer assisted deposition)配制钒离子前驱体溶液；

步骤3：采用旋涂法将步骤2配制的前驱体溶液旋涂在在清洗干净的蓝宝石衬底上，旋涂按照先以低速1000r/min的转速保持10s，再以高速6500r/min的转速保持40s；

步骤4：将步骤3经旋涂前驱体溶液的衬底置于管式炉中，以1.5％的氢气体积比的氮氢混合气氛下进行烧结：升温到450℃保持120min，随后升温到505℃保持120min，待反应结束后自然降温至室温，得到二氧化钒薄膜；

步骤5：在二氧化钒薄膜表面制备叉指电极，具体制备过程为：激光切割热压印PI膜(热压印PI膜由上层PI膜和下层隔离纸组成，常温常压下不具有黏性，施加热和压力后有黏性)，得到图形化的掩膜，激光切割的激光频率为80000Hz，功率因子为40％，功率为2.335W；

步骤6：将步骤5制备好的掩膜通过热释放胶转印到步骤4得到的二氧化钒薄膜表面，具体过程为：用热释放胶作为印章，从隔离纸上将PI膜转移到热释放胶上，加热加压将PI膜完全贴覆在二氧化钒薄膜表面，再将上述的样品置于150℃的热台上，热释放胶失去黏性脱落，可得到覆盖有图形化掩膜的二氧化钒薄膜；

步骤7：采用磁控溅射在步骤6得到的样品表面沉积300nm Au薄膜，将掩膜去除后即可在二氧化钒薄膜表面得到叉指电极；

步骤8：将导电铜箔胶带采用激光切割工艺制备出图形化的加热回路，激光切割的激光频率为80000Hz，功率因子为30％，功率为1.616W；

步骤9：将步骤8制备好的铜加热回路通过水凝胶转印到蓝宝石背面，金属叉指电极及金属加热回路通过银浆粘接引线与电源连接，即可制备得到所述的热电协同调控红外光开关。

对比例1

按照实施例1方法中的步骤1至步骤7制备仅为电场调控的红外光开关，其结构示意图如图3所示。

对比例2

按照实施例1的方法中制备仅为电场调控的红外光开关，仅不进行步骤5至步骤7，其结构示意图如图4所示。

图5为本发明实施例1、对比例1和对比例2分别制备的基于二氧化钒薄膜的红外光开关的开关性能图。从图5(a)中可以看出，实施例1通过热电协同调控的开关器件在热场驱动电压为1.8V，电场驱动电压为4V的情况下就能达到最大开关调制比，响应时间为4.9s；同时，实施例1的开关器件经过多个循环的稳定性测试图如图5(d)所示，从中可以看出，器件的开关性能不因时间而降低，具有可重复性高、一致好、性能均一稳定的特点。从图5(b)可以看出，仅通过电场调控的开关器件需要在电场驱动电压超过28V时才能达到最大开关调制比；施加电场驱动电压为32V时，此时的响应时间最短，仍为5.8s。即仅有电场调控，需要施加较大电压才能实现较好的开关效果，不利于实际的应用。从图5(c)可以看出，仅通过热场调控的开关器件在施加热场驱动电压为1.8V时，响应时间最短，为7.9s，其灵敏度仍不够高。

实施例1与对比例1相比，由于热场将温度控制在相变边界附近，达到相同开关调制效果的驱动电压远小于对比例1；实施例1与对比例2相比，由于叠加电场作为激励，响应时间远小于对比例2，说明采用本发明的方法在开关器件的驱动电压和响应时间上都具有优势。

以上驱动电压均为方波，周期为100s，占空比为50％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，从下至上依次为金属加热回路、衬底、二氧化钒薄膜和金属叉指电极；

所述金属叉指电极用于电场调控，使二氧化钒薄膜发生相变，相变前，二氧化钒薄膜为绝缘态，对红外光透明，此时对应“通”状态；相变后，二氧化钒薄膜为金属态，对光不透明，具有全反射特征，此时对应“关”状态；

所述金属加热回路用于热调控，使二氧化钒薄膜始终保持渗流阈值；金属加热回路包括加热区域、透光区域和电极组成，其中，加热区域为两个开口相向、对称设置的凹字形结构形成，两个凹字形凹陷相对区域构成透光区域，加热区域通过分别与两个电极电连接；加热区域由电阻丝均匀布满整个衬底得到，其中，透光区域不设置电阻丝，面积为a，衬底面积为A，则电阻丝的填充率为z，z＝(A-a)/A。

2.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，所述衬底材料为硅、氧化硅或Al₂O₃。

3.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，所述二氧化钒薄膜相变前后电阻变化倍数应高于3个数量级，对红外光的透射率变化应高于60％；二氧化钒薄膜的厚度为150nm以上。

4.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，所述金属叉指电极材料为Au、Ti、Pt或Cu，叉指电极的指宽度和指间距小于100μm。

5.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，所述金属加热回路材料为Au、Ti、Pt或Cu；金属线的宽度及线间间距小于100μm，形状具体为蛇形或折线形。

6.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，所述金属叉指电极及金属加热回路中的电极通过银浆或银漆粘接引线，或者通过焊锡点焊接引线与驱动电源连接，以施加外加的电场驱动电压。

7.如权利要求1所述的热电协同调控的红外光开关，其特征在于，透光窗口为圆形或正方形，面积大小由红外光的光斑直径决定。

8.一种基于二氧化钒薄膜的热电协同调控的红外光开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：清洗衬底，将衬底依次经丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，随后用氮气吹干备用；

步骤2：通过高分子辅助沉积法(Polymer assisted deposition,PAD)在衬底上制备二氧化钒薄膜；

步骤3：采用磁控溅射在步骤2制备好的二氧化钒薄膜表面沉积图形化的金属电极，其中图形化所用掩膜由激光切割制备，经热释放胶转印至薄膜表面；

步骤4：将导电铜箔采用激光切割工艺制备出预加工的图案，随后经水溶胶转印到步骤3得到的样品中蓝宝石的背面，即得到金属加热回路。

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