面向先进主动红外调谐的VO2基混合超构材料
2024-11-06 22:17:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究的重点是VO2从半导体到金属态的相变，如何在中红外范围（3-5 μm）实现对超构材料吸收和发射特性的精确控制。这种调谐能力有望应用于热管理、光学开关和智能材料，为操控电磁特性以实现先进功能提供了有效方法。
据麦姆斯咨询介绍，意大利罗马大学的研究人员近期在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO₂ thin film”的文章，探讨了在含有二氧化钒（VO₂）相变材料的混合超构材料结构中，金属-绝缘体-金属（MIM）共振的主动红外调谐。
这项研究的重点是VO₂从半导体到金属态的相变，如何在中红外范围（3-5 μm）实现对超构材料吸收和发射特性的精确控制。
这种调谐能力有望应用于热管理、光学开关和智能材料，为操控电磁特性以实现先进功能提供了有效方法。
VO₂驱动的超构材料
VO₂是一种独特的相变材料，它能在大约68℃的温度下在半导体和金属状态之间快速转换。这种以明显结构转换为特征的相变，使VO₂成为一种有效的热致变色材料。VO₂在不同状态间转换的能力，使其在智能门窗、热发射器和红外光学器件等领域具有极高的应用价值。
当它从绝缘体转变为金属时，VO₂的折射率会发生显著变化，进而影响其对电磁波吸收和发射行为。这一特性在设计超构材料时尤为有利，因为在设计超构材料时，精确的电磁控制至关重要。
在微/纳米技术中将VO₂与纳米结构介质相结合，为先进的电磁操纵提供了广阔的机遇。这种方法支持创新设计，例如非对称法布里-珀罗腔和复杂的超构材料结构，从而增强光子器件的功能。
关于本项研究
这项研究考察了一种基于VO₂的混合超构材料，用于中红外范围的可调谐共振吸收。研究人员利用脉冲激光沉积（PLD）技术，在金纳米片和连续金膜之间制造了薄薄的VO₂层，从而构建了一种MIM结构。这种设计能够通过温度调节对MIM共振进行动态控制。
（a）超构单元结构3D示意图；（b）样品的扫描电子显微镜（SEM）图像
本项研究旨在证明如何根据VO₂随温度变化的相变来调整超构材料的吸收特性。该研究采用实验技术和数值建模来研究这种材料的光学行为。研究人员使用时域有限差分法（FDTD）进行了全波电磁模拟，以准确预测MIM结构的吸收曲线。
共振波长的模拟和实验结果分别为拟合参数f和温度的函数
在其实验装置中，研究人员利用Bruker VERTEX 70v傅立叶变换红外光谱仪测量了光谱红外反射率，在26℃～100℃的温度范围内分析了样品。这种方法揭示了温度变化如何影响共振调谐，为先进应用中的温控光学特性提供了启示。
主要发现和见解
本研究表明，共振吸收可根据温度进行有效调节。实验数据显示，室温下的反射率有明显下降，对应于4.72 μm附近的等离子间隙共振。随着温度的升高，该共振向更长的波长移动，在66℃时达到5.43 μm。这种对吸收峰值的持续调整证明了这种材料光学特性的实时适应能力，突出了其动态应用的潜力。
研究人员观察到，随着VO₂金属相比例的增加，吸收强度也随之降低，这说明VO₂的相变与超构材料的电磁行为之间存在直接关联。研究还发现，这种相变是可逆的，超构材料在冷却后可恢复到原始状态，从而确保在多次加热和冷却循环中都能正常工作。
数值建模与实验结果非常吻合，进一步揭示了VO₂在转变过程中的有效折射率。研究人员使用有效介质理论来准确解释了混合结构的光学特性。这些模拟得出的参数与实验数据相吻合，验证了理论框架并支持了研究结果。
应用
这种基于VO₂的混合超构材料的可调谐特性对许多应用都具有重要意义。通过温度变化控制共振波长和强度的能力，可用于热伪装系统、智能门窗以及红外光学系统等。
此外，等离子间隙共振产生的强磁场可用于基于磁偶极的应用，从而增强光子器件和传感器的功能。
未来发展方向
研究人员提出了令人信服的证据，证明VO₂薄膜中的MIM共振具有可调谐性。他们的研究表明，VO₂可以有效地用作动态红外调谐的相变材料，同时也为进一步研究混合超构材料的光学特性奠定了基础。这些发现凸显了VO₂在材料科学领域的重要意义，为热管理、光学开关等领域的创新应用铺平了道路。
未来的进一步研究将是优化设计和解决技术难题，以提高这些超构材料的性能。探索将VO₂与其它相变材料整合在一起，可能会带来功能更强的新型混合系统。随着制造技术和材料工程的不断进步，基于VO₂的系统在各种技术领域的变革中仍然大有可为。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-75430-0
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