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.

考虑电磁波脉冲正入射到由两种无损耗介质组成的界面上,由介质a(折射率为n_a)入射到介质s(折射率为n_s), 根据菲涅尔公式,电磁波在该界面上的反射系数r=(n_s-n_a)/(n_s+n_a). 当n_s>n_a时,反射波与入射波有相同的相位; 当n_s<n_a时,反射波与入射波相位相反(相位差为π); 当n_s=n_a时,反射系数为0,即发生抗反射现象.若在两种介质间插入一层电导率为σ, 厚度为d的导电薄膜,则界面对电磁波的反射将取决于Δn=n_s-n_a-Z₀σd的大小(真空阻抗Z₀=377 Ω). 当Δn>0时,反射波与入射波相位差为0; 当Δn<0时,反射波与入射波相位差为π; 当Δn=0时,界面对入射波反射系数为0.可见,通过改变界面间导电薄膜的厚度或电导率,可实现界面的抗反射效应^[4-5].另一方面,由于介质存在色散效应,对于一定厚度和电导率的导电薄膜,很难在较宽频谱范围实现完全抗反射效应.若薄膜的σd值可由外场精密调节,则可在极大的频谱范围获得完全抗反射效果.

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t_c～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t_c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.

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.

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n_sn_a=Z₀ σd.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]

ΔT(t)=(t^t_s(ω))/(t⁶⁰_s)=(1+n+Z₀σ₆₀d)/(1+n+Z₀σ_td)(1)

考虑到低温下VO₂薄膜的绝缘性,即σ₆₀=0

ΔT(t)=(1+n)/(1+n+Z₀σ_td)(2)

其中, t^t_s 和t⁶⁰_s分别表示温度为t和60 ℃时样品的太赫兹透过率; σ_t为VO₂薄膜在温度t时的电导率.石英衬底在太赫兹波段的折射率n=1.95, 不随温度变化.以60 ℃时的VO₂薄膜为参考,任意温度下薄膜的电导率为

σ_t=((1+n)(1-Δt))/(Z₀ΔTd)(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0.3×10⁴ Ω^-1m^-1,到t=90 ℃的约3.5×10⁴ Ω^-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

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!