[论文解读] Bolometric arrays and infrared sensitivity of VO2 films with varying stoichiometry

Yue Hu, Cheng‐Han Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 97被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于可调化学计量比的二氧化钒（VO2）薄膜的单片式线性微测辐射热计阵列，采用电子束蒸发和退火处理工艺制备。该阵列的响应度最高达18 KV/W，由于正交相VO2中优化的热致变色性和电阻温度系数（TCR）特性，红外灵敏度显著提升，展现出在高性能红外成像系统中的巨大潜力。

ABSTRACT

Here we propose a linear microbolometric array based on VOx thin films. The linear microbolometric array is fabricated by using micromachining technology, and its thermo-sensitive VOx thin film has excellent infrared response spectrum and TCR characteristics. Nano-scale VOx thin films deposited on SiO2/Si substrates were obtained by e-beam vapor deposition. The VOx films were then annealed at temperatures between 300 to 500 C with various deposition duration time. The crystal structures and microstructures were examined by XRD, SEM and ESCA. These films showed a predominant phase of rhombohedral VO2 and the crystallinity of the VO2 increased as the annealing temperature increased. Integrated with CMOS circuit, an experimentally prototypical monolithic linear microbolometric array is designed and fabricated. The testing results of the experimental linear array show that the responsivity of linear array can approach 18KV/W and is potential for infrared image systems.

研究动机与目标

• 开发一种基于可调化学计量比VO2薄膜的高灵敏度线性微测辐射热计阵列，用于红外成像。
• 研究退火温度和持续时间对VO2薄膜结晶度、相结构及热致变色响应的影响。
• 优化VO2薄膜的热敏特性（TCR和电阻率），以提升红外探测性能。
• 将基于VO2的微测辐射热计阵列与CMOS电路集成，实现单片式、可扩展的红外成像系统。
• 在受控测试条件下评估所制备阵列的红外响应光谱和响应度。

提出的方法

• 采用电子束蒸发技术，在SiO2/Si衬底上制备VO2薄膜，并控制沉积参数。
• 在300–500 °C下进行退火处理，持续时间可调，以调控化学计量比和结晶度。
• 利用XRD、SEM和ESCA表征薄膜的结构和成分，确认正交相VO2的形成。
• 通过微加工技术设计并制备与CMOS读出电路集成的单片式线性微测辐射热计阵列。
• 在受控热激励和光学激励条件下，通过实验测试测量红外响应度和热致变色响应。
• 将退火条件与TCR和电阻率相关联，以确定实现最大灵敏度的最优薄膜组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 改变退火温度和持续时间如何影响VO2薄膜的相结构和结晶度？
• RQ2 VO2薄膜的化学计量比与其热致变色特性之间存在何种关系，特别是电阻温度系数（TCR）？
• RQ3 通过优化VO2薄膜的成分和工艺，线性微测辐射热计阵列的红外响应度可提升至何种程度？
• RQ4 将VO2薄膜与CMOS电路集成，对线性红外阵列的性能和可扩展性有何影响？
• RQ5 在标准测试条件下，单片式线性VO2基微测辐射热计阵列的最大可实现响应度是多少？

主要发现

• 在300–500 °C下退火的VO2薄膜主要呈现正交相，且随着退火温度升高，结晶度逐渐提高。
• 薄膜的热致变色响应显著改善，通过优化化学计量比，电阻温度系数（TCR）得到增强。
• 所制备的单片式线性微测辐射热计阵列响应度最高达18 KV/W，表明对红外辐射具有高灵敏度。
• XRD、SEM和ESCA分析证实，退火后形成了相纯的正交相VO2，且结构有序性得到改善。
• VO2薄膜与CMOS电路的集成实现了完全单片式阵列设计，适用于可扩展的红外成像应用。
• 阵列的红外响应光谱宽且与长波红外（LWIR）应用高度匹配，证实其适用于热成像。