电控“雕塑”薄膜研究

Sculptured thin film(STF)are nanostructured inorganic materials with anisotropic and unidirectionally varying properties that can be designed and realized in a controllable manner. The matter at the 10 to 100 nm length scale exhibits continuum properties, but the molecules and the clusters of small size can still display their individuality. STF exhibits anisotropic properties, not similar to the conventional isotropic thin-film material, which is very important to the developement of polarizing component for the miniaturization of integrated optical system. The conventional STF can not be changed by outer electric field. That is to say, it's impossible to realize the active optical component with this kind of STF materials. In this project, based on the developed glancing angle deposition setup and software package, electrically controllable STF material is deposited. The relationship between the diectric tensor and microstructure, the dependence of diectric tensor on the modulated DC voltage, are investigated. Then the active optical components are proposed based on the electrically controllable STF materials.

"雕塑"薄膜是指通过人工方法控制薄膜的生长行为，在尺度10-100nm范围内具有不同微结构的新型纳米薄膜材料。通过控制"雕塑"薄膜的生长行为，可以得到不同于传统光学薄膜、具有各向异性微结构的新型薄膜材料，对于偏振光学器件的发展有着潜在的重要研究和应用价值，特别是对于光学系统集成化有显著的促进作用。传统"雕塑"纳米薄膜材料均不具备外场调节功能，无法通过外加电场来调节元件性能，不能实现主动光学元件的制备。本项目基于已有"雕塑"薄膜光学性质计算程序、"雕塑"薄膜制备实验条件，开展电控"雕塑"薄膜的生长机理、结构设计及制备等研究工作，研究电控"雕塑"薄膜性能，尤其是介电张量与各向异性的微结构之间的关系，电控"雕塑"薄膜性能对于外加电场的依赖关系，实现其介电张量的主动调节，并在此基础上探讨基于主动调节的电控"雕塑"薄膜的新型光电器件制备。该项目在光学和材料学领域都有着深刻的学术价值和广泛的应用前景。

雕塑薄膜是基于倾斜沉积技术制备的，可以人工设计且调节的具有各向异性的无机纳米微结构材料。雕塑薄膜虽然具有良好的各向异性性质，但是传统的雕塑薄膜不能通过外加电场来进行主动调节。 也就是说，基于传统的雕塑薄膜来实现可以主动调节的光学元件是不可能的。在本项目当中，为了实现电场可控的雕塑薄膜，我们对于雕塑薄膜的光学和材料性质都进行了大量的研究工作。对于光学性质方面，我们研究了光对称入射雕塑薄膜的传播问题，雕塑薄膜的光学均匀性问题以及雕塑薄膜的相位延迟问题等等。通过对这些光学性质的研究，我们充分的理解了雕塑薄膜并且可以利用雕塑薄膜的光学性质制备出更多的光学元器件。我们进一步开始对雕塑薄膜的材料性质进行研究。我们制备了非晶TiO2雕塑薄膜，所有的TiO2雕塑薄膜都具有很清晰的纳米柱子结构。通过退火处理再结晶，我们得到了锐钛矿相的TiO2雕塑薄膜。分析讨论了TiO2雕塑薄膜经过退火之后的形貌，结构和光学性质变化。结果显示合适的退火温度能够构建良好的纳米结构并且得到纯锐钛矿相沉淀，这些有助于和锐钛矿相关的光催化实验和研究。为了充分理解TiO2雕塑薄膜的材料性质，对自掺杂TiO2-x雕塑薄膜的光催化活性进行了研究，我们的工作对TiO2雕塑薄膜在不同退火环境下的材料性质变化给出了充分的理解，并且点出了一种新型的依靠倾斜沉积技术的TiO2-x新型材料。基于对雕塑薄膜的全面了解，我们研究了对雕塑薄膜施加电压之后的光学性质变化。样品的透过率可以随着对雕塑薄膜施加负压而下降，并且透过率的调节可以通过调整电压进行很好的重复性调试。因此，通过本项目的研究，我们初步实现了电控雕塑薄膜材料。当然，关于电控雕塑薄膜的工作还需要进一步的研究和细化。