Optical Properties of Vanadium Oxide Films

Abstract

Як типовий корельований електронний матеріал, діоксид ванадію VO2 демонструє перехід метал-діелектрик при відносно низькій температурі. При нагріванні відбувається перехід від діелектричної моноклінної фази до металевої тетрагональної фази (структура рутилу) з перегрупуванням іонів ванадію вздовж осі моноклінної гратки. Зміна фази відповідає колосальному падінню питомого опору більш ніж на чотири порядки, а також іншим змінам властивостей, які можуть бути оборотними через природний процес охолодження. Таким чином, VO2 привернув велику увагу при його застосуванні у високочутливих розумних пристроях, які можуть різко реагувати на різноманітні зовнішні впливи. В останні роки швидкий прогрес у виробництві та модуляції властивостей VO2 значно полегшив його застосування в багатьох аспектах, таких як термічне зондування, термохроміка, електроніка та механіка з множинним відгуком. Методом модуляційної поляриметрії досліджено оптичні властивості тонких плівок діоксиду ванадію. Для осадження тонкої плівки VO2 використовувався двоетапний метод. Плівки VO2 вирощували на підкладках з кварцового скла шляхом магнетронного розпилення мішені VO2 з подальшим термічним відпалом. Плівки мали різні модифікації складу, структури, морфології та оптичних властивостей, зумовлені технологією виготовлення. У роботі було виміряно кутові залежності коефіцієнтів відбивання електромагнітного випромінювання s- і pполяризацій і їх різницю для різних довжин хвиль. Поляризаційні характеристики були змодельовані за допомогою матричного перетворення формул Френеля. Значення показників заломлення та поглинання плівок були отримані з умови найкращого узгодження між експериментом і математичним моделюванням. Як стандартні аналітичні методи використовували атомно-силовий мікроскоп і рентгенівський дифракційний аналіз.

As a typical Correlated Electron Material, vanadium dioxide was discovered to demonstrate metalinsulator transition at a relatively low temperature. The transition occurs from an insulating monoclinic phase to a metallic tetragonal phase (rutile structure) upon heating with the rearrangement of vanadium ions along an axis of the monoclinic lattice. The phase change corresponds to a colossal resistivity drop by over four orders of magnitude as well as other dramatic property changes, which can be reversible via a natural cooling process. Therefore, vanadium dioxide has attracted extensive attention for its applications in highly sensitive smart devices that can abruptly respond to diverse external stimuli. In recent years, rapid advancement in the fabrication and property modulation of vanadium dioxide has greatly facilitated its applications in many aspects, such as thermal sensing, thermochromics, electronics, and multiple-response mechanics. The optical properties of thin vanadium dioxide films VO2 were researched using the modulation polarimetry technique. For VO2 thin film deposition the two-step method was used. VO2 films were grown on quartz glass substrates by magnetron sputtering of the VO2 target. The films had different modifications of composition, structure, morphology, and optical properties due to the manufacturing technology. The angular dependence of the reflection coefficients of electromagnetic radiation of s- and p- polarizations and their difference for different wavelengths was measured in the paper. The polarization characteristics were simulated by a matrix transformation of the Fresnel formulas. The values of the refractive and absorption indices of the films were obtained from the condition of the best agreement between the experiment and mathematical simulation. Atomic force microscope and X-ray diffraction analysis were used as standard analytical methods.