【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米材料光学薄膜，具体涉及一种具有动态红外光响应的热致相变薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
1、光学传感、光开关、光储存等光响应器件常用于光电子电路、量子信息通讯及生物医疗等领域，利用施加外场来动态调控光信号。而其中，被广泛用于各类传感系统的温控光响应器件，通过热敏材料的晶体结构或光学参量变化，实现光谱反馈。近年来，为满足日益严苛的前沿应用需求，各类光子器件正朝着高集成度和高灵敏度方向发展，为此，研究人员正致力于开发体积小、工作温度区间大、光谱响应强的新型热致光响应材料。
2、针对上述挑战，热致相变薄膜以其纳米级厚度和低体积膨胀率，展现出强劲的应用潜力。常见的二氧化钒相变材料，可在70℃左右发生介质-金属相转变。kocer等研究表明，将环境温度从室温升高至熔点附近，二氧化钒薄膜将由介质性趋向金属性，红外反射率可增大近40％，并随温度的降低，薄膜回复介质性(exceptional adaptable mwir thermalemission for ordinary objects covered with thin vo2 film,https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107500)。然而，其工作温度区间局限在100℃内，难以探测更高温度的变化。
3、另一类常见的锗锑碲系(gesbxte1-x)相变材料，具备较大的温度响应区间，可在250℃下由非晶相转变为晶相。然而，其非易失特性使得它们在到达熔点后即维持稳定的结晶相，丧失动态光谱响应性，必须施以更高的
4、cn 116180007 a一种掺杂银的光学相变薄膜及其制备方法与应用，该专利技术中的掺杂银的光学相变薄膜，包括ge2sb2se4te1薄膜和掺杂在薄膜中的ag；所述光学相变薄膜中所述ag的掺杂含量为0.44at％-3.44at％。该薄膜在退火前后表现出优异的光学对比度，并且晶态吸光能力有所改善，材料品质因数在5.45-7.48范围内，显著高于现有的gst、vo2等相变材料。但未曾提及材料非易失特性问题。
5、而铋和或碲等半金属单质在相变材料中展现出较大的优势，它们在常温下具备红外介质性，拥有比上述两类相变材料高、比寻常金属低的熔点(分别为270℃和450℃)，极大拓宽了温度探测区间。更重要的是，该材料具备光学易失性，温度降至熔点以下时，光谱随之回复。其光学响应强度，取决于液化过程中半金属由介质性向金属性的转变程度，即相变过程中介电常数实部从大于0逐渐趋向小于0的区间范围。遗憾的是，这类材料在常温下的红外介电常数转变区间较窄，光谱响应强度较低。因此，开发一种高介电常数的热致相变半金属薄膜，可在宽广工作温度区间下实现强光谱响应。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术中相变材料存在的工作温度区间窄，介电常数低的问题，提供一种具有动态红外光响应的热致相变薄膜，该薄膜能够实现宽工作温度区间下的强光谱响应，同时得到的薄膜易于集成至纳米光子学传感器件。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种具有动态红外光响应的热致相变薄膜，所述热致相变薄膜由第一金属和第二金属复合而成；
4、所述第一金属为铋或碲中任意一种；
5、所述第二金属为金、银、铝、钨、镍或钛中任意一种。
6、本专利技术中采用铋或碲的半金属元素为主要材料，通过添加金属元素的方式调制介电常数。其中，第二相的选择，聚焦于与半金属光学性质差异大的高反射、高损耗金属，这将显著改变薄膜的介电常数。热致相变的半金属薄膜在室温下升温至熔点，可在红外宽波段实现光学介质性向金属性的转变，以此获得动态光学响应。基于有效介质理论，在半金属中共混一定填充率的第二金属，可有效提高薄膜的介电常数。值得注意的是，少量的第二相颗粒，将产生钉扎效应，阻碍第一金属晶粒生长，减小晶粒尺寸，并对其施加残余应力，减小晶面间距。继续提高第二金属含量，将促进第一金属中残余应力的释放，晶粒尺寸增大，晶面间距增大。上述过程中两相材料的结构变化将影响薄膜的载流子浓度、晶体结构有序性等光学参量，最终贡献薄膜介电常数的变化。由此可知，在该共混体系中，有效介质近似理论与两相作用共同实现薄膜介电常数的提高，增大光响应强度。
7、因此，第二相的体积百分数同样对薄膜介电常数至关重要，共混少量的第二相金属将有效提高半金属的介电常数。然而，过量的第二相则会使介电常数陡然下降，趋向金属性，削弱薄膜的相变效应及光谱响应强度。优选地，所述热致相变薄膜中第一金属体积分数为65-99.5％，所述第二金属体积分数为0.5-35％。
8、优选地，所述第一金属靶材为铋或碲，第二金属靶材为金、银、钨或钛中一种。
9、当所述第一金属为铋时，第二金属为金、银、铝中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-30％；第二金属为钨、镍、钛中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-35％。
10、当所述第一金属为碲时，第二金属为金、银、铝中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-30％；第二金属为钨、镍、钛中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-35％。过大的第二相金属比重将使复合薄膜趋于第二相的强金属性，即介电常数实部由正数骤降至0以下，丧失温度依赖的介质-金属转变光响应。而金、银、铝作为高反金属，较钨、镍、钛等高损金属具备更强的金属性，即更负的介电常数实部和更大的虚部，因此其适宜的填充率范围更小。
11、所述热致相变薄膜的工作温度区间为25-450℃；所述热致相变薄膜光学响应波段在红外2-20μm，该波段下第一金属为红外介质性，具备相变为金属的光响应条件；所述热致相变薄膜在2-20μm具有0-350范围内可调的介电常数实部。
12、当所述第一金属为铋时，所述热致相变薄膜工作温度区间为25-300℃，响应波段为红外2-20μm，介电常数在0-350可调；当所述第一金属为碲时，所述热致相变薄膜工作温度区间为25-450℃，响应波段为红外2-20μm，介电常数在0-270可调；
13、在25-450℃内，所述热致相变薄膜在温度环境变化时具有透射光谱、反射光谱或椭偏光谱的动态响应。
14、所述热致相变薄膜厚度为10nm以上，本专利技术中薄膜可制备成纳米级别仍具有优异的动态响应，也可根据实际需求制备更高厚度的薄膜，优选薄膜厚度为10-70nm。一方面，薄膜厚度过薄易形成不连续薄膜，导致其热致光响应性不稳定；另一方面，70nm已接近20μm处复合膜(第二相体积百分数为35％)的趋肤深度，可以近似认为光场不会继续穿透薄膜。因此，为权衡高的光学响应和光学器件的微型化，优选薄膜厚度为10-70nm。
15、本专利技术还提供所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜的制备方法，包括步骤：在氩气气氛下，控制溅射时的气压为0.1-0.6pa，以第一金属与第二金属为共溅射靶材，控制金本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜由第一金属和第二金属复合而成；
2.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜中第一金属体积分数为65-99.5％，所述第二金属体积分数为0.5-35％。
3.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，当所述第一金属为铋时，第二金属为金、银、铝中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-30％；第二金属为钨、镍、钛中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-35％；
4.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜的工作温度区间为25-450℃；所述热致相变薄膜光学响应波段在红外2-20μm，在该波段下，所述热致相变薄膜的介电常数实部在0-350范围内可调。
5.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，当所述第一金属为铋时，所述热致相变薄膜工作温度区间为25-270℃，响应波段为红外2-20μm，介电常数在0-350可调；
6.根据权
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：在氩气气氛下，控制溅射时的气压为0.1-0.6Pa，以第一金属与第二金属为共溅射靶材，控制金属靶材采用的功率密度范围为0.1-8.0W/cm2，在衬底上磁控共溅射沉积制得具有动态红外光响应的热致相变薄膜。
8.根据权利要求7所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜的制备方法，其特征在于，第一金属靶材功率密度范围为2-8W/cm2，第二金属靶材采用的功率密度范围为0.1-4.0W/cm2；靶材距离衬底的距离为80-120mm；衬底旋转速率为10-15rpm。
9.根据权利要求7所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底在使用前经过预处理，预处理具体步骤包括：采用丙酮、酒精、去离子水依次对衬底进行超声清洗5-20分钟，再通过加热解吸和等离子体溅射清洗，得到预处理后的衬底。
10.根据权利要求1-6任一项所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜在光响应器件中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜由第一金属和第二金属复合而成；
2.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜中第一金属体积分数为65-99.5％，所述第二金属体积分数为0.5-35％。
3.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，当所述第一金属为铋时，第二金属为金、银、铝中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-30％；第二金属为钨、镍、钛中任意一种，第二金属的体积分数为0.5-35％；
4.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，所述热致相变薄膜的工作温度区间为25-450℃；所述热致相变薄膜光学响应波段在红外2-20μm，在该波段下，所述热致相变薄膜的介电常数实部在0-350范围内可调。
5.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征在于，当所述第一金属为铋时，所述热致相变薄膜工作温度区间为25-270℃，响应波段为红外2-20μm，介电常数在0-350可调；
6.根据权利要求1所述的具有动态红外光响应的热致相变薄膜，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹鸿涛，高俊华，陈芝琳，姜雨欣，熊辉，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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