氩离子注入调控二氧化钒薄膜热致相变及自适应红外发射率的可逆调谐研究

《Thin Solid Films》：Controllable tuning of reversible thermally induced phase transition and adaptive infrared emissivity in microcrystalline VO 2 thin films via argon ion implantation

本研究通过氩离子（Ar??）注入技术，实现了对微晶二氧化钒（VO2）薄膜金属-绝缘体相变（MIT）温度、红外热发射率及滞回行为的精准调控，为开发自适应红外（IR）伪装与热管理器件提供了创新性材料解决方案。

　　

Highlight

氩离子注入技术作为一种有效的生长后处理手段，可精准调控二氧化钒（VO₂）薄膜的红外发射率与相变行为。

Experimental details

采用磁控溅射技术在硅（100）衬底上制备二氧化钒薄膜，并通过氩氧混合气体（5% O₂）环境下的后退火处理实现结晶化。氩离子（Ar??）注入能量为180 keV，剂量范围为2.15×10¹⁵至5.36×10¹⁵ ions/cm²。

Results and discussion

原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析表明：氩离子注入显著诱导了薄膜表面纳米结构的紊乱与缺陷密度增加。初始未注入薄膜呈现均匀光滑表面（粗糙度≈2.3 nm），而注入后表面形成亚微米级凸起（高度≈60 nm），粗糙度升至≈9.1 nm。XRD证实所有样品均具有VO₂(M1)单斜相结构，注入后出现晶格膨胀与微应力弛豫。拉曼光谱显示注入导致声子模式展宽与强度降低，表明晶格无序化加剧。

红外热成像与傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明：离子注入可降低相变温度（T_MIT），原始薄膜为340 K，注入后分别降至321 K和315 K；金属相发射率从0.30增至0.34和0.46；滞回环宽度从≈7 K拓宽至≈9 K；相变过程中的发射率变化幅度从0.21降至0.08。这些效应源于注入诱导的结构缺陷、应变弛豫以及金属/绝缘体域的共存行为改变。

Conclusions

本研究证明氩离子注入可通过引入可控缺陷与晶格应变，有效调控VO₂薄膜的红外发射特性与相变动力学，为开发基于离子工程的自适应热管理器件与智能红外伪装系统提供了重要技术路径。