xingkong星空-推荐阅读 | 自激励二氧化钒薄膜及抗激光干扰红外热成像
发布时间：2025-12-26 来源：本站
收录在话题 #保举论文 弁言 对于在红外成像探测器来讲，其探测对于象往往都是弱小旌旗灯号，于是探测器一般敏捷度都很高，光电探测器于利用历程中，也轻易遭到各类各样的杂光滋扰，从而对于方针探测及丈量造成影响。激光作为一种优质光源，于现代仪器体系中广泛利用。经常使用在切确测距、清算异物、视觉定位及丈量风场等。激光具备标的目的性好，能量密度高的特色，当激光入射到探测器外貌时，探测器很轻易由于入射激光的能量密度年夜而饱及，激光这类特征也被用在滋扰红外热成像体系，而且已经经于获得了运用。 人们对于使用激光滋扰探测器开展了较多的研究，Ikemoto Yuka研究了光导MCT探测器的饱及特征，使用红外同步辐射及红外自由电子激光对于探测器饱及举动举行了具体的研究。李祉涵研究了激光对于红外扶引头成像的滋扰以和受激光滋扰后对于制导机能的影响两个方面。Yanan Zhang研究了激光辐照图象传感器的干预干与机理。Wang Y.以研究了散射效应引起的激光于探测器上的能量漫衍。Yan Wu Liu.研究了激光兵器对于红外导弹的软损伤。杨振等人研究使用高接收型陶瓷涂层质料增长探测器像面上的饱及功率密度阈值。 为了降低激光对于红外探测器的滋扰，实现热像仪于激光滋扰环境下可以或许正常成像，本文以二氧化钒薄膜做为防护质料，制备了具备自激励相变功效的二氧化钒复合薄膜，使用该薄膜研究了其对于激光滋扰红外热像仪的防护作用。 1 二氧化钒薄膜的光电性子 钒是一种罕见金属，它的氧化物具备多种价态， 于必然的温度下钒氧化物会发生相变，出现出差别的光学及电学性子。1959年，科学家Miron于贝尔试验室初次发明钒的氧化物具备半导体—金属相变特征，于氧化钒的浩繁价态的氧化物中，VO2（中文名称：二氧化钒，英文名称：vanadium dioxide）的相变温度靠近室温，为68 ℃摆布。于相变温度四周，VO2的禁带宽度将发生变化，发生半导体—金属体的相变。随之质料的各类物理参数（如折射率、红外透射率、电阻率等）都将发生突变，于宏不雅上体现为相变先后光学及电学性子发生突变。VO2这类相变的特征使其具备很强的运用潜力。份子束外延法（英文名称：molecular beam epitaxy, MBE）是对于薄膜生长的各项参数举行切确节制的比力好的要领，可以或许制备出质量很高的VO2外延单晶薄膜。二氧化钒于智能窗、光开关、激光防护、其他光电传感器等方面具备浩繁的运用潜力。本文使用份子数外延法于氮化镓衬底上制备了二氧化钒薄膜，并使用该薄膜举行抗定向红外滋扰研究。 于室温下，红外光谱于半导身形的VO2中的透过率很高，当温度升高到相变温度时，VO2发生相变，酿成金属相之后，因为金属中电子等离振荡举动，会呈现必然的截止频率，当入射光的频率低在金属中电子等离振荡的频率时，入射光会被反射，以是红外光谱于金属相VO2中的透过率很低，这类相变历程为使用二氧化钒防护红外探测器提供了可能。 图1给出了咱们使用份子束外延法所制备的二氧化钒薄膜于高温金属态及低温半导身形时的光谱透过率，可以看到，于红外区，跟着波长的增长，二氧化钒薄膜透过率变化幅度于增年夜。从图1可以看出，二氧化钒薄膜于相变先后，其红外辐射透过率很发生很年夜的变化，金属态二氧化钒薄膜的红外辐射透过率年夜幅度降低。VO2这类非凡光学特征使其可以或许用作激光防护质料，来匹敌激光对于探测器的滋扰，其相变前的高透过率不影响探测器吸收旌旗灯号，而相变后的低透过率又使患上激光不克不及对于探测器孕育发生危险，是以可以有用匹敌激光对于红外探测器的眩光及饱及。 图1二氧化钒薄膜于高温金属态及低温半导身形时的光谱透过率 图1给出了VO2于高暖和低温的红外透过率光谱以和相变先后透过率变化环境。二氧化钒质料的这类非凡的光学特征使其具有匹敌激光滋扰红外成像探测器的潜力。今朝研究二氧化钒薄膜对于热像仪的防护，可能是经由过程外加热激励的方式实现薄膜的相变，薄膜温度节制难以切确，本文利用GaN/Al2O3复合衬底，完成VO2/GaN/Al2O3复合膜布局，实现了可控加热层、红外透射调制层的一体化制备，从而更利便在VO2薄膜的实用。 2自激励二氧化钒薄膜制备和其机能阐发 2.1 自激励二氧化钒薄膜制备和相变机能 二氧化钒薄膜于常温下是半导身形，于高温时相变为金属态，二氧化钒薄膜凡是都是镀制于衬底上，当前的研究中，可能是经由过程外加激励的方式节制温度使其发生相变来研究薄膜的相变机能。经常使用的对于二氧化钒薄膜举行加热激励方式有电加热、辐射加热、空气加热、激光辐照加热等，这些加热方式凡是都是使用外部热源将薄膜加热到相变温度以上。这些加热方式一般难以实现切确的温度节制，可能是经由过程不雅察薄膜透射率的变化来判定是否相变。为实现薄膜温度的切确节制，设计一种新式布局来节制二氧化钒薄膜的温度，采用VO2/GaN/Al2O3 复合膜布局。于该布局中，将二氧化钒薄膜温度的节制功效集成到了所制备的器件中，使器件温度节制再也不需要外部热源，实现器件自身对于相变的温度自激励。器件布局如图2所示，底层为Al2O3（中文名称：三氧化二铝、蓝宝石，英文名称：Aluminum oxide、Sapphire），于蓝宝石衬底上生长了一层GaN（中文名称：氮化镓，英文名称：Gallium Nitride）薄膜，GaN是一种新型半导体质料，具备较年夜的禁带宽度，采用GaN目的是使用其半导体特征，通电后可以孕育发生热量，于 GaN两头镀上金属Au做为 电极，经由过程对于电极施加电压，可以对于整个器件举行加温。这类加热方式实现了温控部门与功效薄膜的一体化，经由过程电压及电流的节制可以实现薄膜温度的精准节制，实现薄膜电控相变自激励，为进一步运用打下基础。 二氧化钒薄膜采用份子束外延法制备，于 VO2沉积以前，于丙酮、异丙醇及去离子水中超声洗濯GaN/Al2O3 (0001)衬底，各洗濯10分钟。颠末上述处置惩罚后，将衬底用N2气体吹干，然后迅速转入真空室。采用射频等离子体辅助氧化MBE腔，基压为3×10-7Pa，于GaN/Al2O3衬底上沉积了VO2薄膜。于沉积历程中，衬底温度连结于530℃。 图2VO2/GaN/Al2O3复合膜布局 今朝，海内外还有未呈现过真正意义上的彻底智能化的切确制导兵器。LRASM反舰导弹、“海上粉碎者”导弹体系等新一代切确制导兵器，经由过程运用传统呆板进修、深度进修、强化进修等人工智能技能，于主动方针辨认、航迹计划等方面出现出必然的智能化特性。 2.2 二氧化钒薄膜阻温特征测试 使用试验室搭建的双探针变温电阻测试平台测试了所获得的VO2/GaN/Al2O3薄膜样品的电阻于升暖和降温历程中随温度的变化曲线（如图3）。由图可知所患上样品于室温下的电阻很高，约为 1.3×105Ω，体现为半导身形。跟着温度的升高，初始电阻值变化较小，于相变温度四周时，电阻发生突变，阻值变化约为三个量级，相变为金属态，其电阻约为110Ω。于降温历程中，VO2从高温金属态又恢复到室温下的半导身形。这类起落温历程中体现出显著的温度迟滞效应，是二氧化钒相变质料所具备的典型相变特性。 图3VO2/GaN/Al2O3样品阻温特征 2.3 薄膜的外延生长阐发 为了阐发所制备的VO2/GaN薄膜样品的晶体布局及外延生长举动，本文举行了过细的θ-2θ扫描，如图4所示。于θ-2θ扫描模式下，可以看到样品体现出很强的Al2O3单晶衬底衍射峰，此外微米厚度的GaN薄膜也呈现了很强的GaN(002)衍射峰。于GaN/Al2O3衬底上外延生长的VO2薄膜于2θ=39.8°的位置具备单一的衍射峰，颠末比对于，为VO2(020)的衍射峰。这注解咱们所制备的薄膜为VO2薄膜，可以用来开展进一步的研究。 图4VO2/GaN/Al2O3样品的XRD于θ-2θ扫描模式下的测试 2.4 薄膜相变特征的拉曼阐发 使用变温拉曼光谱可以或许探测二氧化钒薄膜于相变先后，从低温单斜相到高温金红石相的布局改变。图5给出了所丈量获得的升暖和降温历程中所制备器件的拉曼光谱。图5(a)是升温历程中器件的拉曼光谱，可以看到于30 ℃时，除了了来自衬底的拉曼峰，低温绝缘相的VO2于196cm-1，225cm-1，312cm-1，395cm-1及617cm-1处出现出 VO2单斜相布局的特性拉曼峰。跟着温度的升高，这些VO2的特性拉曼峰逐渐变弱，于60 ℃如下，变化不较着，特性峰很清楚，于70 ℃以上，特性峰忽然彻底消散。此时注解VO2已经经彻底相变，整个晶体布局彻底改变为金红石金属相。图5(b)给出了降温历程中的拉曼光谱图。当温度降低到60 ℃和如下温度时，VO2特性拉曼峰又最先呈现，注解于降温历程中，于相变温度下，低温单斜相又最先呈现。注解咱们制备的二氧化钒薄膜具有金属半导体相变历程的可逆性。同时从变温的拉曼光谱可以看出其升暖和降温历程所对于应的相变温度于60～70 ℃之间。 (a) 薄膜的升温拉曼光谱 (b) 薄膜的降温拉曼光谱 图5二氧化钒薄膜的变温拉曼阐发 3 二氧化钒薄膜抗激光滋扰红外热成像测试 3.1 二氧化钒薄膜对于中红外激光的衰减测试 搭建丈量二氧化钒薄膜相变先后对于中红外激光透过率的试验装配如图6所示。起首丈量薄膜于室温下对于中红外激光的透射率，此时薄膜为半导身形，Au电极外加电压为0，使用功率计丈量入射到二氧化钒薄膜的功率及颠末二氧化钒薄膜衰减后的出射功率，计较获得半导身形时薄膜的透过率。然后对于金属电极加之直流电，经由过程GaN对于二氧化钒薄膜加温，于电压为4.7V时，二氧化钒薄膜透射率发生突变，相变为金属相，为连结二氧化钒薄膜金属相患上不变，将激励电压连结于5.2V。别离丈量入射到二氧化钒薄膜的激光功率及颠末二氧化钒薄膜衰减后的出射激光功率，计较获得于金属相时二氧化钒薄膜对于中红外激光透过率。丈量成果如表1所示。经由过程表1可以看出，二氧化钒薄膜于相变之后，激光输出能量年夜幅度衰减，透过率由0.693衰减到0.069，体现出了优良的开关特征。相变后二氧化钒薄膜的透过率约为相变前透过率的10%。 图6二氧化钒薄膜对于中红外激光的衰减丈量 3.2 二氧化钒薄膜抗激光滋扰热成像 搭建二氧化钒薄膜防护中红外热像仪试验装配如图7所示，图中，中红外激光器孕育发生红外激光，使用K9玻璃衰减片对于激光举行衰减，颠末二氧化钒薄膜之后，终极照射热像仪（型号AGEMA 550），不雅察中红外激光对于热像仪的滋扰效果并举行记载。对于薄膜电极通电，对于薄膜举行加热，使二氧化钒薄膜发生相变，不雅察二氧化钒薄膜相变先后激光对于中红外热像仪的滋扰效果，阐发其抗激光滋扰机能。试验中，中红外激光器的输出激光的波长为3.525妹妹，功率为330mW，于间隔激光器3米位置放置红外热像仪，试验测患上K9玻璃对于3.525 妹妹 波长激光的透过率17%，放置了2片K9玻璃，于是入射到二氧化钒薄膜的激光功率约为9.5mW。激光对于中红外热像仪滋扰成果如图8所示。 图7二氧化钒薄膜防中红外激光滋扰热像仪实验 (a) 当薄膜处在半导体状况时，激光会对于热成像仪器造成严峻的滋扰 (b) 氧化钒薄膜处在金属状况时，对于激光具备较着的掩护效果 图8VO2薄膜相变先后激光对于热像仪的滋扰效果 经由过程图8(a)可以看出，热像仪对于中红外激光很是敏感，较弱的能量就能使其到达饱及。二氧化钒薄膜于半导体时，对于入射激光能量高透过，激光的滋扰使热像仪呈现眩光征象，使热像仪成像单位年夜面积饱及，从而没法对于所不雅测的方针举行有用成像。二氧化钒薄膜相变为金属态后，对于入射的激光能量年夜幅度衰减，使其透过能量仅为相变前的10%。虽然该能量仍旧使热像仪局部饱及，但饱及区域很小，热像仪仍能对于方针区域举行有用成像不雅察。二氧化钒薄膜可以或许对于热像仪起到较好的防护作用。为了进一步研究其防护效果，咱们绘制了二氧化钒薄膜相变先后热像仪所成图象的灰度直方图，如图9所示。图9(a)中，因图象饱及区域较年夜，饱及像素点呈现几率弘远在其他各灰度级像素数，体现为图象的年夜面积饱及。图9(b)中，相变为金属态的二氧化钒薄膜对于入射激光光强盛幅度衰减，热像仪饱及像素数年夜幅度降低，图象成像条理较着。二氧化钒薄膜出现了较好的防护效果。 (a) 相变前热成像的灰度直方图 (b) 相变后热成像的灰度直方图 图9红外热成像的灰度直方图 4 结论 激光标的目的性好，功率密度高，可以或许对于红外热像仪造成滋扰。二氧化钒薄膜是一种相变质料，于半导身形时，二氧化钒对于红外辐射高透过；于金属态时，二氧化钒薄膜对于红外辐射低透过；该特征可以用在对于激光滋扰热像仪的防护。本文制备了具备自激励相变功效的二氧化钒薄膜，所制备的二氧化钒薄膜具备优良的相变机能。经由过程试验方式研究了二氧化钒薄膜对于中红外激光滋扰红外热像仪的防护。丈量了二氧化钒薄膜于3.525妹妹波长上相变先后对于激光的透过率，于金属态时，激光透过率仅为半导身形时的10%。举行了二氧化钒薄膜防护中红外热像仪实验，试验成果注解，二氧化钒薄膜相变为金属态后，激光对于热像仪的滋扰能力年夜幅度降低。使用二氧化钒薄膜的相变特征可以或许防护激光滋扰红外热成像体系。 本文来由 发表在：《电子丈量与仪器学报》 论文链接： https://kns.cnki.net/kcms/detail//11.2488.TN.20230109.1844.006.html 扫码存眷咱们 相识-xingkong星空
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