多层钨掺杂二氧化钒热传感器：扩展工作温区的高性能热敏材料研究

为解决VO2相变温区窄（≈5°C）且高于室温（68°C）的问题，南安普顿大学团队通过原子层沉积（ALD）制备多层W:VO2薄膜，结合多目标遗传算法（MOGA）优化设计，实现了-6.7(±0.9)%K-1的宽温区（20-70°C）高温度电阻系数（TCR）响应。该研究为非制冷微测辐射热计（bolometer）提供了新型敏感材料，推动红外探测技术发展。

　　

研究背景与意义
热敏材料在红外探测领域至关重要，而二氧化钒（VO₂）因其绝缘体-金属相变（MIT）时电阻骤降的特性成为研究热点。然而，VO₂的相变温度高达68°C且温区极窄（≈5°C），严重限制了其在室温热传感器中的应用。尽管钨（W）掺杂可降低相变温度（每原子百分比W降低约20K），但单层W:VO₂的温区扩展有限，且高TCR响应难以兼顾宽温区稳定性。如何设计兼具高灵敏度和宽工作温区的材料，成为非制冷微测辐射热计（uncooled bolometer）发展的关键挑战。

研究内容与方法
南安普顿大学团队通过原子层沉积（ALD）技术精确控制W掺杂浓度（0-1.63 at.%）和厚度（30-46 nm），制备了五组单层W:VO₂薄膜，并建立电阻率响应模型（含13个参数）。基于此，团队设计多层W:VO₂堆叠结构（10层），利用多目标遗传算法（MOGA）优化层厚与掺杂分布，目标为最大化平均TCR（μ）并最小化标准差（σ）。实验验证采用X射线光电子能谱（XPS）深度分析和变温电学测试。

研究结果

1. 单层W:VO₂特性建模
   通过实验数据拟合，提出三线段对数模型，量化TCR_{low T}（-2.5%K^-1）、TCR_max（-21.3+6.63x%K^-1）等参数，预测精度达W=2.0 at.%。例如，1.47 at.% W掺杂使相变温度降至39°C（加热）和28°C（冷却）。

2. 多层结构性能验证
   实验制备的65 nm多层薄膜（梯度W掺杂）显示宽化相变，TCR响应由三个高斯峰叠加而成，对应不同掺杂层的分步转变。XPS证实W浓度从表层向底层递增（0.7-1.5 at.%），与设计的梯度分布一致。

3. MOGA优化设计
   模拟显示，10层平行电阻结构在20-70°C温区实现平均TCR为-6.7(±0.9)%K^-1，优于文献报道的VOx材料（如PLD法制备的-10.5%K^-1但温区仅22-42°C）。COMSOL仿真验证了模型准确性。

结论与意义
该研究通过ALD技术实现了W:VO₂多层结构的原子级精度调控，结合MOGA优化，首次在实验和模拟中同步验证了宽温区（50°C跨度）高TCR性能。这一突破为开发新一代非制冷红外探测器提供了材料基础，尤其适用于需宽温稳定性的车载、航天等领域。未来可通过集成金黑吸收层或法布里-珀罗腔进一步提升红外吸收效率。

技术亮点

• ALD沉积：实现纳米级厚度与W掺杂梯度控制。
• XPS深度分析：验证多层W分布（0.35 nm/s刻蚀速率）。
• MOGA优化：以max(|μ|-σ)为目标函数筛选最优堆叠方案。
• 电学表征：Van der Pauw法测量电阻率（两数量级变化）。