Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

Путролайнен В.В., Стефанович Г.Б., Величко А.А., Стефанович Л.А., Черемисин А.Б.

Перспективными материалами для разработки индикаторов является двуокись ванадия, в которой наблюдается обратимое изменение цвета пленки при изменении температуры. Изменение физических свойств обусловлено развитием в этом материале перехода металл-изолятор (ПМИ). Однако существующие работы показывают, что подобные термохромные устройства не обеспечивают высокого оптического контраста в желто-зеленой части спектра. Применением многослойных интерференционных структур спектральную зависимость коэффициентов отражения или пропускания можно сместить в необходимый оптический диапазон. В работе представлены результаты изучения возможности получения многослойных структур с изменяющимися оптическими свойствами при инициировании ПМИ с оптическим контрастом в необходимом спектральном диапазоне.

Теория расчета подобных структур достаточно хорошо представлена в научной литературе. Однако подобные расчеты основаны на моделировании многослойной структуры однородными непоглощающими пленками. В нашем случае диоксид ванадия имеет большое поглощение в видимом диапазоне спектра, что затрудняет применение традиционных методов расчета. Если ограничиться относительно простой моделью, состоящей из двух пленок (одна из которых непоглощаюшая) на подложке с известными оптическими константами, то задача становится разрешимой для расчета простыми прямыми методами. Моделирование на ЭВМ показало, что подбором оптических констант диэлектрического слоя и его толщины, а также толщины диоксида ванадия можно получить максимальный оптический контраст в зеленной части спектра. Так для SiO2 толщиной 100 нм максимальный оптический контраст при ПМИ на длине волны 550 нм достигался при толщине VO2 приблизительно равной 250 нм. Кроме того, было получено, что оптический контраст увеличивается с ростом показателя преломления диэлектрического слоя.

Для получения многослойных структур применялось плазменное магнетронное напыление и анодное окисление полученных слоев.

Методы физико-химической обработки включали предварительную и конечную очистку поверхности от механических, органических и неорганических загрязнений: обезжиривание в кипящих органических растворителях, обработка в парах горячих растворителей (бензол) или УЗВ-обработка в органических растворителях, - промывка в горячей дистиллированной воде, сушка горячим воздухом. После очистки на подложки производилось осаждение пленок.

Для получения металлических прекурсоров и отражающих подслоев многослойных интерференционных структур применялся плазменный метод осаждения пленок. Процесс был реализован в вакуумном посте ВУП-5М (магнетронное распыление), средства откачки которого (последовательно включенные диффузионный и форвакуумный насосы) обеспечивали давление остаточных паров не выше 10-5 мм. рт. ст.

Для осаждения пленок VO2 применялось магнетронное распыление металла в плазме аргона с добавлением в вакуумный объем кислорода. При этом подложка разогревалась до температуры 800-900 К.

Данный метод позволяет получать стехиометричные пленки VO2 с хорошим скачком оптических и электрических свойств при ПМИ.

В качестве диэлектрического подслоя использовались оксиды SiO2 и Ta2O5. В первом случае использовались уже готовые подложки Si - SiO2, а для получения диэлектрического слоя Ta2O5 первоначально на кремниевую подложку магнетронным способом напылялся Ta, после чего использовался метод анодного окисления. Анодное окисление (анодирование) проводилось в электрохимической ячейке, в которой окисляемый образец является анодом. При анодировании происходит перенос ионов кислорода из электролита в металл и образование на его поверхности анодной оксидной пленки (АОП). Анодирование в вольтстатическом (ВС) режиме, т.е. при постоянном напряжении на ячейке. В качестве электролитов использовались растворы на основе органических растворителей, а также расплавы кислородсодержащих ионных солей. После окисления в электролите образцы промывались в дистиллированной воде и высушивались в потоке горячего воздуха.

Для проверки модельных расчетов на структуру Si - SiO2 и Si - Ta2O5 методом магнетронного напыления осаждался слой VO2. Толщина слоя диоксида ванадия оценивалась с помощью интерференционного микроскопа МИМ 6. Спектральная характеристика коэффициента отражения света от полученной структуры до и после перехода показывает, что для желто-зеленой части спектра достигается достаточно высокий оптический контраст.

Продемонстрированная возможность получения максимальных контрастов изменения цвета при ПМИ в различных частях спектра открывает дополнительные возможности для создания устройств отображения информации на основе двуокиси ванадия.

Получение высокого оптического контраста при ПМИ в VO2 возможно в различном спектральном диапазоне при применении многослойных структур, получаемых последовательным напылением слоев с различными толщинами и оптическими константами.

Многослойные интерференционные структуры с диоксидом ванадия перспективны для разработки термохромных индикаторов.