VO2(B)/V2O5纳米复合材料：高温长波红外探测的卓越之选

为解决热探测器在高温下性能受限问题，研究人员开展 VO2(B)/V2O5纳米复合材料用于高温长波红外（LWIR）微测辐射热计的研究。结果显示该材料性能优异，对户外 LWIR 探测意义重大。

　　在科技飞速发展的当下，无人驾驶技术成为交通领域的热门话题。无人驾驶车辆若要实现完全自主驾驶，面临诸多挑战，其中传感技术至关重要。目前，自动驾驶系统虽配备多种传感器，如雷达、摄像头、超声波传感器和激光雷达（LiDAR）等，能提供高分辨率环境数据，使车辆达到美国汽车工程师协会（SAE）定义的 4 级自动驾驶水平，但在恶劣天气条件下，如夜间、雾天、雨天和雪天，这些系统的物体识别能力受限。热探测器能检测长波红外（LWIR）光谱并感知热信号，在传统相机和 LiDAR 难以发挥作用的环境中表现出色，因此，热成像传感器对于实现 5 级自动驾驶（完全自动驾驶）至关重要。

微测辐射热计作为一种能检测 LWIR 区域的热探测器，因其重量轻、成本低且可在室温下工作，在自动驾驶领域极具应用潜力。对于微测辐射热计，电阻温度系数（TCR）和红外吸收等性能指标直接影响其响应度（R_v） ，根据汽车电子委员会（AEC）标准，车载电子被动元件需在 - 40°C 至 125°C 的宽温度范围内可靠运行，但目前热像仪传感器无法达到 AEC-Q200 1 级认证，主要原因是 85°C 以上 TCR 值过低，所以 LWIR 热活性材料必须具备在 125°C 高温下可靠运行的能力。

目前，商用 TCR 材料，如非晶硅（a-Si）、氧化钒（VO_x）和氧化钛（TiO_x）等，在 80°C 以下性能尚可，但高温下 TCR 值不足。常用的改进策略，如氢化、掺杂和缺陷工程等，虽能提高激活能和 TCR，但存在增加噪声或导致结构无序等问题，且高温下 TCR 值仍会显著下降。此外，大多数 LWIR 辐射检测研究聚焦于光热效应，该效应在高温下效率降低，影响 IR 光转化为移动载流子的效率，导致 TCR 值降低。一些复合材 料，如 TiO₂和 ZnO 组成的复合材料，虽能利用互补特性提升 TCR，但存在带隙宽、对低能量光子敏感度受限以及工作温度范围窄等问题。

为解决上述难题，研究人员开展了将 V₂O₅掺入 VO₂(B) 基质并精心设计界面的研究。研究成果发表在《eScience》上，为 LWIR 探测技术带来新突破。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用脉冲直流磁控溅射法在低温下（低于 290°C）沉积 VO₂(B)/V₂O₅薄膜，精确控制氧分压和衬底温度；二是利用多种表征技术，如掠入射 X 射线衍射（GIXRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）、低能反向光发射光谱（LEIPS）等，对薄膜的结构、成分和电子性质进行分析；三是搭建微测辐射热计并测试其性能，包括测量电阻随温度的变化、响应度、探测率等。

VO₂(B)/V₂O₅薄膜沉积

通过脉冲直流磁控溅射法，在精确控制的氧分压和衬底温度条件下，以 SrTiO₃（STO）为缓冲层，成功在 SiN_x/Si 表面沉积 VO₂(B)/V₂O₅薄膜。研究发现，不同氧流量和沉积温度会影响钒氧化物的相组成，通过 GIXRD、XPS 等表征手段确认了复合薄膜中 VO₂(B) 和 V₂O₅相的存在，且薄膜具有均匀的结构和良好的结晶性。

VO₂(B)/V₂O₅薄膜表征

对不同相的钒氧化物薄膜进行电学性能测试，结果表明 VO₂(B)/V₂O₅复合薄膜对温度变化高度敏感，在 20°C 至 130°C 的加热和冷却循环中，电阻变化明显且具有强热可逆性，无滞后现象。该复合薄膜在室温下 TCR 约为 2.19（-%/K） ，125°C 时仍保持在 1.19（-%/K） ，优于单一相薄膜。经 25 天 125°C 高温测试，其 TCR 值稳定，薄膜颜色和结构无明显变化，显示出高的热稳定性。通过 UPS 和 LEIPS 测量，确定了薄膜的带隙和电子结构，发现 V₂O₅/VO₂(B) 界面存在电荷转移，有利于提高电导率和热敏电阻性能。此外，FTIR 光谱分析表明 VO₂(B) 在 6 - 20μm 波长范围内具有高吸光度，VO₂(B)/V₂O₅复合薄膜在 LWIR 照射下光电流增加明显，优于单一相薄膜。

基于 VO₂(B)/V₂O₅的微测辐射热计的制备

采用电子束蒸发、光刻、反应离子刻蚀（RIE）、等离子增强化学气相沉积（PECVD）等一系列微加工工艺，成功制备了以 VO₂(B)/V₂O₅薄膜为热敏电阻的悬浮微测辐射热计。优化沉积温度和氧流量后，制备的微测辐射热计具有良好的性能。

微测辐射热计器件表征

对微测辐射热计的关键性能指标进行测试，结果显示，其热导率随沉积温度变化，高温下因晶格振动增强导致热导率降低；响应度随偏置电流增加而增加，在室温下 245°C 沉积的薄膜制备的微测辐射热计响应度最高可达 4.5 kV/W，125°C 时仍保持在 2.4×10³ V/W ；时间常数随沉积温度变化，在 125°C 时，VO₂(B)/V₂O₅基微测辐射热计的时间常数在 0.72 - 1.32 ms 之间，响应速度快；噪声电压较低，在 125°C 时，部分薄膜的噪声电压低于 20 nV/Hz^1/2 ；探测率在不同沉积温度下表现良好，125°C 时部分样品的探测率甚至高于室温下的值。

研究结论表明，VO₂(B)/V₂O₅纳米复合材料通过低温溅射工艺制备，在 125°C 高温下展现出卓越的热敏电阻性能和热稳定性。其独特的界面工程促进了 8 - 14μm 长波红外光的高光电响应，提高了电子密度，降低了电阻。该复合材料在室温下 TCR 高达 2.19（-%/K） ，125°C 时仍维持在 1.19（-%/K） ，在 LWIR 照射下具有出色的响应度和探测率。基于该复合材料的微测辐射热计具有低噪声电压、高响应度（125°C 时为 4.5 kV/W）和快速响应时间（时间常数约 0.72 ms）等优势，在户外应用，如自动驾驶车辆和工业红外传感器领域具有巨大潜力。这一研究为下一代 LWIR 检测技术开辟了新路径，有望推动相关领域的发展。