二氧化钒(VO2) 是一种典型的强关联电子材料, 当达到相变阈值时, 会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相, 这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生, 并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化，其中相变前后电阻率会发生 3～5 个数量级的变化, 这使得 VO2 在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了 VO2 的相变机制, 主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动, 接着重点介绍了利用超快时间分辨技术, 尤其是太赫兹时域光谱技术, 来研究 VO2 薄膜的相变动力学过程, 最后, 介绍了基于 VO2 薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。

利用自主搭建的实验系统, 同步实时地测量了热致相变材料二氧化钒(VO2)薄膜在相变过程中的反射率及其涨落(噪声谱).实时傅里叶变换采集卡测得的噪声谱不仅可以像反射率测量一样给出样品的相变温度(55℃), 还在样品的高温区金属相里发现了一个明显的噪声峰(位于15~20 MHz), 而低温区半导体相的噪声谱几乎是平坦的.这种噪声峰也反映了薄膜样品中低温半导体相和高温金属相的晶体结构差异.噪声谱测量可以广泛地应用于相变材料的研究.

采用直流磁控溅射法，结合氧化法热处理在硅基底上制备VO₂薄膜，通过SEM、XRD、XPS、FTIR红外透射率等测试，从多角度分析了氧化热处理对VO₂薄膜截面结构、晶相成分、成分价态、红外透射率相变特性的影响。实验分析表明，采用直流磁控溅射与氧化热处理相结合的方法，可获得主要成分为具有明显择优取向单斜金红石结构VO₂(011)晶体的氧化钒薄膜，氧化热处理有利于VO₂晶粒生长并增加薄膜致密性，同时其红外透射率具有明显相变特性，相变温度为60.5 ℃，3~5 μm、8~12 μm波段的红外透射率对比值达到99.5%，实现了对红外波段辐射的开关功能，适合应用于红外探测器的激光防护研究，同时可为深入研究对薄膜的氧化热处理提供参考依据。

基于常温反应磁控溅射和热处理工艺, 在硅片(100)衬底上, 制备出了具有相变特性的二氧化钒(VO2)薄膜, 采用XRD、SEM对薄膜的物相结构、表面形貌进行了表征。热处理后, 薄膜晶粒开始生长, 在[2θ=]27.9°、37.1°、42.3°分别出现了VO2的(011)、(200)、(210)衍射峰, 薄膜形貌均匀致密。对薄膜的方块电阻进行了变温测试, 相变前后薄膜电阻突变量达三个数量级, 具有很好的半导体-金属相变特性。文中还对VO2薄膜在伪装领域的应用前景进行了分析。

采用原子层沉积(ALD)方法, 分别以VO(OC3H7)3和H2O2为钒源和氧源, 在载玻片基底上沉积钒氧化物薄膜; 在还原气氛的管式炉中, 对钒氧化物薄膜进行还原退火结晶, 进而得到VO2薄膜晶体。通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)及X-射线光电子能谱(XPS)研究所制备的钒氧化物薄膜表面形貌、晶体结构以及组分的变化; 利用傅里叶红外光谱(FT-IR )对VO2薄膜的红外透射性进行测试分析。结果表明: ALD所制备的薄膜以非晶态V2O5、VO2和V2O3为主; 在通以还原气氛(95%Ar, 5%H2)并500℃热处理2h后得到以(011)择优取向的单斜金红石纳米VO2薄膜, VO2晶体薄膜相变前后红外透过率突变量较大。

利用射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备了氧化钒薄膜，X射线衍射的测量结果表明薄膜的主要成分是多晶二氧化钒.实现了二氧化钒薄膜半导体金属相变过程的电阻和五个不同波长下薄膜反射率的同步测量.实验结果表明，电学和光学测量都在相变过程中出现回滞曲线，但是二者的表现形式有明显差别.当用光学方法探测时，同一次相变过程中不同区域的反射率曲线几乎完全重合，证明了薄膜样品的均匀性.

为评价VO2光学薄膜在光电器件中的工作可靠性，搭建了可输出连续渐变激光能量密度的脉冲激光照射实验平台，运用“1对1”与“s对1”2种激光损伤测试手段进行激光辐射照射实验，采用线性外推法和测量计算法2种方法对实验结果进行了处理并得出VO2薄膜在重复频率10 kHz、中心波长532 nm、脉冲宽度15 ps脉冲激光辐射下的损伤特性。结果表明：VO2薄膜损伤几率与脉冲激光的单脉冲能量密度呈线性关系，重复辐射的激光脉冲对VO2薄膜造成的损伤具有积累效应，且重复辐射的激光脉冲次数越多损伤积累效果越明显。

利用磁控反应溅射镀膜方法在低温(250℃)条件下制备了主要成分为B相亚稳态二氧化钒(VO2)的薄膜材料。电学性能测试表明: 室温下该薄膜的方块电阻为50kΩ左右, 电阻温度系数为-2.4％/K, 可以作为非致冷红外微测热辐射热计的热敏材料。

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。 在热驱动方式下, 分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。 实验结果表明, 电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差, 电学相变温度为63 ℃, 高于光学相变温度, 60 ℃; 电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽; 在红外光波段, 随着波长的增加, 纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大, 由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高, 相变持续的温度宽度变窄。 在红外光波段, 纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控, 电学相变特性更适合表征纳米VO2薄膜的半导体-金属相变特性

将Ta2O5与V2O5均匀混合，压制成溅射靶，用离子束增强沉积方法在二氧化硅衬底上沉积掺Ta氧化钒薄膜。在氮气中适当退火，形成掺杂二氧化钒多晶薄膜。x射线衍射结果显示，薄膜具有单一的(002)取向。XPS测试表明，膜中v为＋4价，Ta以替位方式存在。温度一电阻率测试表明，薄膜具有明显的相变行为，原子比为3％的Ta掺杂后，二氧化钒多晶薄膜相变温度降低到约48℃。Ta原子的半径大于V原子的半径，Ta的掺入在薄膜中引入了张应力；5价Ta替代4价V，在d轨道中引入多余电子，产生施主能级，这些是掺钽二氧化钒多晶薄膜相变温度降低的原因