JP4748421B2 - 高性能サーモクロミック素子 - Google Patents
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Description
(1)二酸化バナジウム(VO2)膜とその少なくとも一方の面に隣接する非晶質シリコン酸化物(a−SiOx,0≦x<2)膜と基板からなる多層構造を有するサーモクロミック素子であって、
非晶質シリコン酸化物を構成するa−SiO x の酸化度xを選択することで、該非晶質シリコン酸化物の屈折率をVO 2 の屈折率以上又はそれ以下に合わせ込み、VO 2 の相転移にともなう近赤外の特定の波長での光の透過及び反射スペクトル変化の変化量を拡大させたことを特徴とするサーモクロミック素子。
(2)基板が、透明基板あるいは少なくとも近赤外領域及びその長波長側で透明な基板である、前記(1)記載のサーモクロミック素子。
(3)VO2/a−SiOx/基板、又はa−SiOx/VO2/基板からなる多層構造を有する、前記(1)記載のサーモクロミック素子。
(4)二酸化バナジウム(VO2)膜の両面に非晶質シリコン酸化物膜が隣接した多層構造を有する、前記(1)記載のサーモクロミック素子。
(5)a−SiOx/VO2/a−SiOx/基板からなる多層構造を有する、前記(4)記載のサーモクロミック素子。
(6)前記(1)又は(4)記載の多層構造を有するサーモクロミック素子に、温度変化を生じさせる加熱手段及び/又は冷却手段を配設した光機能デバイス。
(7)デバイスが、近赤外通信波長域で透過スペクトルの変化量が最大値を示す光スイッチ又は光センサーである、前記(6)記載の光機能デバイス。
本発明は、新しい多層構造からなるサーモクロミック素子であって、二酸化バナジウム(VO2)膜とその少なくとも一方の面に隣接する非晶質シリコン酸化物(a−SiOx,0≦x<2)膜と基板からなる多層構造を有することを特徴とするものである。本発明では、基板が、透明基板あるいは少なくとも近赤外領域及びその長波長側で透明な基板であること、VO2/a−SiOx/基板、又はa−SiOx/VO2/基板からなる多層構造を有すること、を好ましい実施の態様としている。
(1)VO2膜と非晶質シリコン酸化物(a−SiOx,0≦x<2)膜を組み合わせた多層構造とすることにより、優れたサーモクロミック性能を有するサーモクロミック素子を提供することができる。
(2)近赤外通信波長域で優れた光スイッチング性能を発揮する光機能デバイス用のサーモクロミック素子を提供できる。
(3)VO2膜の膜厚及び当該VO2膜を挟む上記非晶質シリコン酸化物の酸化度と膜厚を適宜選択することにより、近赤外通信波長域の特定波長に合わせたサーモクロミック素子を構築することができる。
(4)本発明の膜構造は、VO2の相転移で生じる近赤外波長域の透過率変化を、従来の材料では得られない大きさまで拡大することが可能であり、それにより、温度制御型光スイッチングデバイスの性能を一段と向上させることが可能となる。
(5)VO2のサーモクロミック性能を利用した高性能の光機能デバイスを実現することができる。
(6)a−SiOxは非晶質であり、ミクロンオーダの厚膜が容易に形成可能であるため、透過率変化量を最大とする波長の選択範囲、柔軟性を拡げることができる。
(7)a−SiOxは非晶質であるため、レーザやイオンなどの照射あるいは熱処理などによる材料改質が容易で、必要に応じて微細加工などができ、デバイスの応用範囲の拡大につながる。
本実施例では、本発明の膜構造で光学シミュレーションを行い、サーモクロミック特性にともなう透過/反射スペクトルの変化の例を幾つか示す。本シミュレーションは、確立されている電磁波動光学の理論に基づいて計算を行った(小桧山光信,光学薄膜の基礎理論―フレネル係数、特性マトリクス,オプトロニクス社、pp.29−113(2003))。計算波長範囲は、ここでは400〜1700nmの可視から近赤外域としたが、膜構造の構成、目的によって変わるため、この範囲に限るものではない。
(2−1)成膜方法
本実施例では、薄膜作製に汎用型マグネトロンスパッタ装置を用いた。ターゲットとして、バナジウム、シリコンを設置し、真空系を2.5×10−6Pa以下に排気後、アルゴン(Ar)及び酸素(O2)ガスを導入して、必要な膜構造となるように成膜を行った。 非晶質シリコン酸化物a−SiOxの成膜は、Siをターゲットとして、RFパワー120W、全圧0.6Pa、Arガス流量32sccmと固定し、O2ガス流量を範囲0〜0.5sccmで振ることで、酸化度xを調整した。
膜厚、光学定数は、分光エリプソメータ(J.A.Woolam Co.,Inc.,モデルM2000)を用いて決定した。VO2のサーモクロミック現象による透過スペクトル変化をスペクトロフォトメータ(日本分光,モデルV−570)で調べた。また、必要に応じて、a−SiOxやVO2の構造をX線回折(XRD)測定装置(リガク,モデルRINT2000)で調べた。更に、膜構造の情報を得るために、走査型電子顕微鏡(日立,モデルS−4300)を用いて作製試料の観察を行った。
一例として、a−Si/VO2/a−Si/a−SiO2基板というサンドイッチ構造で成膜し、評価した結果を示す。図8は、この膜構造において、VO2が相転移したときの透過スペクトルの変化である。太い実線は、測定結果であり、TS及びTMは、それぞれ低温相(30℃)、高温相(90℃)での透過率に相当し、太い破線は、その差スペクトルΔTである。全ての太線に対応させてある細線は、エリプソメータ測定して、フィッティング計算で決めた膜構造(図中の模式構造参照)で見積もった透過スペクトルである。
Claims (7)
- 二酸化バナジウム(VO2)膜とその少なくとも一方の面に隣接する非晶質シリコン酸化物(a−SiOx,0≦x<2)膜と基板からなる多層構造を有するサーモクロミック素子であって、
非晶質シリコン酸化物を構成するa−SiO x の酸化度xを選択することで、該非晶質シリコン酸化物の屈折率をVO 2 の屈折率以上又はそれ以下に合わせ込み、VO 2 の相転移にともなう近赤外の特定の波長での光の透過及び反射スペクトル変化の変化量を拡大させたことを特徴とするサーモクロミック素子。 - 基板が、透明基板あるいは少なくとも近赤外領域及びその長波長側で透明な基板である、請求項1記載のサーモクロミック素子。
- VO2/a−SiOx/基板、又はa−SiOx/VO2/基板からなる多層構造を有する、請求項1記載のサーモクロミック素子。
- 二酸化バナジウム(VO2)膜の両面に非晶質シリコン酸化物膜が隣接した多層構造を有する、請求項1記載のサーモクロミック素子。
- a−SiOx/VO2/a−SiOx/基板からなる多層構造を有する、請求項4記載のサーモクロミック素子。
- 請求項1又は4記載の多層構造を有するサーモクロミック素子に、温度変化を生じさせる加熱手段及び/又は冷却手段を配設した光機能デバイス。
- デバイスが、近赤外通信波長域で透過スペクトルの変化量が最大値を示す光スイッチ又は光センサーである、請求項6記載の光機能デバイス。
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