Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование кристаллической структуры, морфологии поверхности и электрических, оптических свойств слоев VO2 , полученных путем окисления на воздухе пленок V. 20
1.1 Фазовый состав, распределение фаз по толщине оксидного слоя ванадия, отклонение от стехиометрии слоя фазы V02
в зависимости от технологии изготовления. 20
1.2 Электрические параметры оксидного слоя ванадия в зависимости от его толщины . 45
1.3 Оптические свойства среды A-V02 51
1.4 Размеры и форма кристаллитов оксидного слоя ванадия в зависимости от вариации технологии изготовления. 64
2. Технология изготовления сред А-\Ю2-Д (диэлектрик) и их оптические и светотехнические параметры . 77
2.1 Технология изготовления, цветовые переходы, яркостные и цветовые контрастности сред A-V02. 77
2.2 Отработка технологии изготовления сред A-V02 с заданной петлей термического гистерезиса . 96
2.3 Технология изготовления сред A-V02 на гибких диэлектрических подложках. 102
2.4 Отработка процессов изготовления пленочных структур A-V02-AK-113Ф, A-V02-Si02, A-V02-A203. 105
3. Исследования эксплуатационных параметров преобразователей изображения на основе термохромных сред А-У02-Д. 119
3.1 Потребляемая мощность, время реакции и релаксации преобразователей изображения. 119
3.2 Пороговая чувствительность, порог разрушения среды 129
3.3 Дифракционная эффективность трёхслойных термохромных сред 151
10 3.4 Долговечность и стойкость к механическим нагрузкам, воздействию оптического и ионизирующего излучений. 158
4. Конструкции устройств регистрации, записи и хранения оптической информации . 164
4.1 Преобразователи изображения А-У02-Д на гибких диэлектрических подложках в аэродинамических экспериментах. 164
4.2 Модуль на основе термохромных индикаторов для отображения буквенно-цифровой информации . 169
4.3 Визуализатор оптического излучения. 190
4.4 Голографический транспарант. 211
4.4.1 Голографические транспаранты на основе среды А-УС>2-Д
в устройствах когерентно-оптической обработки информации. 220
5. Конструкции устройств измерений, записи и ослабления электромагнитного излучения . 226
5.1 Приемники оптического излучения. 226
5.2 Автономный измеритель распределения энергии (мощности) излучения ОКГ. 256
5.3 Анализатор пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения. 269
5.4 Модуль ИК - излучения. 277
5.5 Терморегулируемый ограничитель СВЧ мощности. 284
Выводы. 291
Литература.
- Электрические параметры оксидного слоя ванадия в зависимости от его толщины
- Отработка технологии изготовления сред A-V02 с заданной петлей термического гистерезиса
- Дифракционная эффективность трёхслойных термохромных сред
- Модуль на основе термохромных индикаторов для отображения буквенно-цифровой информации
Введение к работе
Настоящая работа направлена на решение задач по разработке новой технологии изготовления оптической реверсивной термохромной среды, предназначенной для отображения, записи и хранения оптической информации и созданию на её основе промышленных устройств индикаторной техники и изделий оптоэлектроники.
Исследование термохромных свойств оксидной плёнки ванадия, разработка серийной технологии её изготовления, а также разработка индикаторных устройств отображения информации на основе окисно-ванадиевой плёнки проводилось исследование в период с 1975 по 1988 годы в НИИ знакосинтезирующей электроники «Волга» г. Саратов совместно с ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР. Указанные работы входили в отраслевую программу МЭП СССР «Обеспечение народного хозяйства СССР вакуумными люминесцентными индикаторами, интегральными схемами управления и индикаторными устройствами». Итоги выполнения программы в части разработки нового термохромного материала и создания средств визуального отображения информации на его основе отражены в работе [1] и заключаются в следующем:
разработана и внедрена в серийное производство НИИ «Волга» технология изготовления окиснованадиевых плёнок размером 100 х 100 мм с заданными термохромными параметрами. Выход годных плёнок составляет не менее 84%;
на основе окиснованадиевых плёнок созданы:
новый класс термохромных знакосинтезирующих индикаторов ОДО.339.301ТУ с площадью информационного поля от 1 до 100 см и размером знака от 40 до 80 мм;
конструкция плоского многосекционного табло для отображения буквенно-цифровой и мнемонической информации;
промышленный образец визуализатора электромагнитного излучения ВИ-1 ОДО.335.407ТУ, для экспрессного анализа распределения энергии (мощности) по сечению луча ОКГ на длинах волн 0,337-40,6 мкм;
конструкции плёночных структур ФТИРОС-фотопроводник, ФТИРОС-рентгенпроводник для записи, хранения ближнего инфракрасного и рентгеновского излучения.
Недостатком термохромных индикаторов [2-3] является их низкое быстродействие, поэтому они могут применяться в устройствах группового и коллективного пользования, где можно сочетать тенденцию к увеличению размеров индикатора или всего устройства с потребляемой мощностью и требуемым быстродействием. Указанные индикаторы предназначены для эксплуатации в условиях внешней освещенности выше некоторого минимума, например, от комнатного до прямого солнечного освещения. Важным фактором является возможность цветового кодирования отображаемой информации, так как в зависимости от технологии изготовления [4] цветовые переходы таких индикаторов могут охватывать любой из видимого диапазона спектра.
Визуализация излучения в УФ, видимой и ИК-областях спектра с помощью визуализатора электромагнитного излучения ВИ-1 [5] обеспечивает проведение контрольно-юстировочных работ при регулировках и настройках лазерных источников излучения. Недостатком прибора является необходимость привлечения дополнительных средств (набора калиброванных нейтральных светофильтров) при экспрессном исследовании структуры электромагнитных полей по сечению лазерного луча.
Наибольший интерес к новой реверсивной термохромной среде на основе диоксида ванадия проявляется при использовании её для целей оптоэлектроники. Применение в оптоэлектронике пленочных сред на основе диоксида ванадия связано со значительными изменениями их оптических и электрических свойств при фазовом переходе полупроводник-металл (ФППМ),
13 обусловленным нагревом сред в диапазоне 44^-75 С [6]. Фазовым переходом в средах на основе диоксида ванадия управляют путем их нагрева непосредственной кондукцией, пропусканием электрического тока, а также падающим излучением в ультрафиолетовом, видимом инфракрасном диапазоне длин волн. ФППМ в указанных средах протекает за время 10"11 с, характеризуется наличием температурного гистерезиса оптических и электрических свойств, что обеспечивает реверсивную память [7]. По данным работы [8], среда A-VC>2 обладает: постоянной чувствительностью 10"4 и 10" Джхсм" в режиме памяти соответственно в диапазонах длин волн 0,3-гЗ,37мкм и 5,0+10,6мкм; разрешающей способностью в режиме адиабатической засветки соответственно не менее 1000 и 100 мм"1 на длинах волн 1,06 и 10,6 мкм; сохраняет эксплуатационные параметры при цикличности записи-стирания информации не менее 109. К недостаткам среды A-V02, получаемой по способу [9], следует отнести сравнительно низкую величину дифракционной эффективности в видимой 0,5 % и инфракрасной областях спектра 1,4 %, а также необходимость защиты среды от влаги. Следует заметить, что температуру фазового перехода можно варьировать вплоть до комнатной с помощью легирования пленок диоксида ванадия [8].
В период с 1989 до 1992 годов в НИИ «Волга», в соответствии с программой важнейших работ по ВПК, проводились разработки новых технологий с целью изготовления термохромной среды А-У02-Д (алюминиевое зеркало - слой VO2 - слой диэлектрика) с улучшенными оптическими параметрами.
В настоящее время разработано большое число материалов, предназначенных для записи, хранения оптической информации с различными принципами действия, допускающими многократную перезапись оптической информации: фототермопластические, фотохромные, электрооптические, магнитооптические и термохромные [10-14]. Общие требования к реверсивным средам сводятся: запоминающая среда должна быть физически и химически
14 стабильной в течение длительного времени, выдерживать не менее 109 циклов
запись-стирание без изменения рабочих характеристик, обладать высокой
чувствительностью при записи и эффективностью при считывании записанной
информации, возможностью эксплуатации как в нормальных условия, так и в
условиях воздействия атмосферных факторов и ионизирующих излучений.
Кроме того, требования к оптическим характеристикам сред зависят от способа
записи, считывания и стирания. Для записи с поразрядной организацией
используют двухмерные среды (пленки толщиной порядка 0,2 мкм). При
голографической записи используют как двухмерные, так и трехмерные среды.
Очень важными параметрами являются высокая плотность записи и возможно
большее отношение пороговой энергии разрушения материала среды к
пороговой энергии записи. Как видно из вышеперечисленного, сравнительный
анализ достоинств и недостатков регистрирующих сред проводят по большому
числу параметров, и они зависят от конкретного назначения устройства, его
технологичности и экономичности и т.д. В таблице 1 приведены реверсивные
регистрирующие среды, выпускаемые промышленностью и пригодные для
записи оптической информации в реальном масштабе времени [12-14].
Фототермопластические материалы имеют дифракционную
эффективность ~ 34%, а их чувствительность такая же, как у фотоэмульсии.
Недостатками фототермопластиков являются малая скорость записи и
стирания, а также небольшая цикличность. Скорость записи - стирания
ограничивается скоростью отвода тепла от подложки после воздействия
каждого проявляющего и стирающего теплового импульса, а увеличение
цикличности возможно с уменьшением вредного воздействия коронного
разряда на термопластике. Среди магнитооптических материалов наиболее
перспективны висмутзамещенные феррогранатовые плёнки, недостатками
которых являются сравнительно высокая энергия записи и не очень высокая
разрешающая способность, при относительно не высокой дифракционной
эффективности 1+10%.
Таблица В. 1. Характеристики реверсивных сред.
Термохромная среда At-VC>2 по чувствительности и разрешающей
способности находится между фототермопластическими и
магнитооптическими материалами. Недостатком среды A-V02 является низкая дифракционная эффективность -1,4% и постоянная потребления энергии в режиме хранения информации. Технологический процесс изготовления среды A-V02 по сравнению с выше указанными средами отличается чрезвычайной простотой и базируется на серийно выпускаемом оборудовании.
Существуют реальные возможности по управлению оптическими и электрическими свойствами сред на основе пленок диоксида ванадия путем вариации технологического режима их изготовления. Исследованию путей достижения этих возможностей и посвящена настоящая работа.
Большой интерес и практическое значение вызывает использование реверсивных сред для побитовой и голографической записи оптической
информации в запоминающих устройствах, а также в схемах оптических корреляторов и оптических процессоров [13,15-17]. Для указанных целей актуальна разработка голографического транспаранта с термоуправлением на основе пленочной структуры А-\Ю2-Д и разработка устройства направленного источника ИК-излучения с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов, обеспечивающую побитовую запись.
Появление термохромной реверсивной среды на основе плёнок VO2 стимулировало возникновение многих направлений её применения, где ожидаются значительные технические результаты и экономический эффект. Такой областью применения является экспериментальная аэродинамика, в которой проводятся измерения тепловых потоков на поверхности различных тел, обтекаемых потоком газа [18]. Использование для этих целей термохромной среды А-УОг на гибкой диэлектрической подложке, обладающей малой инерционностью, высокой реверсивностью, повышает достоверность, скорость получения информации, а также дает возможность многократного повторения эксперимента без изменения условий обтекания контролируемого тела потоком газа и вытеснит применяющуюся для этих целей плоскую термочувствительную среду на основе жидких кристаллов [18]. Узкий температурный диапазон перехода одного цвета в другой (0,1-^5 С), большая инерционность ~ 0,1 с жидких кристаллов накладывают трудности в регистрации изменения цвета во времени, а также в определении местоположения цветовой картины.
Другим перспективным направлением является разработка тепловых приёмников, способных регистрировать импульсное излучение с пико-секундной длительностью [19]. Применение в качестве термочувствительного слоя приёмника плёнки V02 позволяет выполнить приёмник с указанными характеристиками и размером приёмной площадки достигающей сотни квадратных сантиметров, при этом сохраняется равномерное распределение чувствительности по приемной площадке. Кроме того, конструкция приемника
17 отличается простотой, высокой долговечностью и стойкостью к различным
факторам внешнего воздействия (приемники могут использоваться в
космическом пространстве).
С целью микроминиатюризации элементов и устройств СВЧ целесообразна разработка термоуправляемого ограничителя СВЧ-мощности на основе плёнок УОг в щелевых линиях передачи.
Продолжение развитие работ по данным направлениям проводятся в Саратовском государственном техническом университете, где и выполнен основной объём диссертационной работы.
Целью диссертационной работы являлась разработка термохромных реверсионных сред на основе пленок диоксида ванадия с улучшенными оптическими параметрами, а также конструкций устройств для отображения, регистрации, визуализации, записи и хранения оптической информации. Это достигнуто:
Проведением всесторонних физических исследований методами термографии, рентгено- и электронографии, вторично-ионной масс-спектрометрии, растровой электронной микроскопии процесса формирования оксидных пленок ванадия путем окисления на воздухе, напыленных плёнок ванадия на жестких и гибких диэлектрических подложках.
Проведением комплексных исследований зависимости оптических и электрических свойств слоя ванадия от технологии его изготовления.
Разработкой новых способов изготовления преобразователей изображения на основе плёночной структуры А-\Ю2-Д (диэлектрик) на жестких и гибких диэлектрических подложках.
Разработкой серийной технологии изготовления среды А-УОг-Д на жестких и гибких диэлектрических подложках, базирующейся на серийно выпускаемом оборудовании, обеспечивающим получение среды с заданными параметрами при массовом изготовлении.
5. Проведением комплексных испытаний преобразователей изображения на
основе структуры А-УС>2-Д на долговечность в условиях воздействия механических нагрузок, климатических факторов, стойкости к воздействию оптического и ионизирующего излучений.
Разработкой методов расчета и схем измерения светотехнических, оптических, голографических характеристик среды А-УС>2-Д.
Применением методов расчета нестационарной теплопроводности для полупространства с ограниченным источником энергии, расчета конечных элементов одномерного нестационарного температурного поля для оценки плотности энергии в зависимости от длительности импульса излучения, вызывающей нагрев среды А-\Ю2-Д до заданной температуры и разрешающей способности среды, метода решения нестационарного нагрева неограниченной пластины источником постоянной мощности и её охлаждения для расчета потребляемой мощности, времени реакции и релаксации преобразователей изображения на основе среды А-УОг-Д.
Разработкой устройства для исследования распределения тепловых потоков на поверхности тел сложной формы с использованием среды Al-V02-J\, выполненной на полиимидной подложке.
9. Разработкой устройств индикаторной техники и опто- и
микроэлектроники:
- модулей из 5x7 термохромных индикаторов для отображения буквенно-цифровой информации в устройствах группового и коллективного пользования для эксплуатации в условиях освещенности от интенсивной внешней до комнатной;
визуализатора оптического излучения на основе среды А^-УОг-Д с управляемым терморегулятором обеспечивающим экспрессный контроль пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения;
19 голографического транспаранта на основе среды АС-УОг-Д с термоуправлением и размером рабочего поля от 12x12 до 48><60мм , обладающего оптической эффективностью не менее 2% на длинах волн: 0,9; 1,06; 1,15 мкм предназначенного для корреляторов, обеспечивающих обработку двумерных изображений;
многоэлементных тепловых приемников на основе пленок V02 и схем их управления с диаметром приемной площадки 2,3-=-2,8 мм регистрирующих излучение с длительностью импульса 10"9-Мс, с диапазоном измерения на длинах волн 0,3-^-3,39 мкм и 5,0-^-10,6 мкм соответственно от 3-Ю" до 1,3 Дж/см и от 1,3-10^0 5,8,0^
автономного измерителя распределения энергии (мощности) импульсного и непрерывного лазерного излучения ИРЭ - 24 на длинах волн 0,3-Н0,6мкм, содержащего многоэлементный приемник из пленки УОг, видеоконтрольный блок, осуществляющий визуализацию в четырех цветах и оцифровку измерительной информации;
анализатора, пространственно - энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения на длинах волн 0,3-Н0,6мкм, содержащего многоэлементный приёмник на основе VO2 персональный компьютер IBM PC/XT и устройство сопряжения; модуля ИК-излучения со схемой управления на основе импульсного полупроводникового лазера на длине волны 0,89 мкм для записи побитовой оптической информации;
термоуправляемого ограничителя СВЧ-мощности на основе пленок VO2 в щелевых линиях передачи, обеспечивающего на частотах 7-40 ГГц затухание СВЧ - колебаний до 10 дБ, при неравномерности АЧХ 0,5 дБ и начальных потерях 1,8 дБ.
Электрические параметры оксидного слоя ванадия в зависимости от его толщины
Известно, что скорость окисления слоя ванадия зависит ст температуры термообработки. Установлено, что в диапазоне температур 400+ окисления подчиняется параболическому закону. Экспериментальные исследования показали, что оптимальным является температурный диапазон слоя ванадия 480±10 С. При температуре ниже 470 С увеличивается время термообработки слоя ванадия и, как следствие, увеличивается толщина поверхностного слоя V2O5 по сравнению с тем, когда термообработка осуществляется при оптимальной температуре 480 С. При температуре выше 480 С возникает опасность взрывного (быстрого) режима окисления, что может приводить к неоднородности по цвету и ухудшению шероховатости поверхности слоя, особенно когда речь идет о поверхности большого размера, например, 100x100 мм, так как на практике всегда имеет место разнотолщинность по поверхности исходного слоя ванадия. Были изготовлены варьирования и времени его образцы на слюдяных подложках путем одновременного исходной толщины слоя ванадия в диапазоне от 0,02 до 0,2 мкм окисления при 480 С. Критерием, по которому можно судить о ivkepe наличия в оксидном слое фазы диоксида ванадия, является скачок величины сопротивления оксидного слоя при нагреве его до температуры фазового перехода (от 20 до 70 С). Время термообработки фюя ванадия корректировалось по величине скачка сопротивления, сформированного оксидного слоя до температуры фазового перехода. Поверх оксидного слоя наносились алюминиевые электроды толщиной 0,2 мкм, и омметром Щ34 измерялся скачок поверхностного сопротивления при нагреве образца с помощью плоского электронагревателя в диапазоне температур от 20 до 86 С.
Эксперименты показали, что путем окисления на воздухе при 480 С слоя ванадия толщиной от 0,03 до 0,05 мкм в течение 2-=-5 мин можно получить пленки диоксида ванадия толщиной от 0,06 до 0,10 мкм со скачком сопротивления более одного порядка. При толщине слоя ванадия 0,1 мкм и более резко увеличивается время его полного окисления. Это приводит к росту на внешней поверхности слоя V2O5 и уменьшению скачка сопротивления при нагревании до температуры ФП, что можно объяснить шунтирующим влиянием оксидных фаз с недостатком кислорода на границе раздела оксид -подложка.
Структурные исследования показывают, что толщина оксидного слоя в диапазоне 804-140 нм определяется высотой кристаллита, а его поперечные размеры соответственно составляют 404-100 нм. При этом в указанных пленках наблюдается изменение величины поверхностного сопротивления в диапазоне 5004-22 кОм/см ., что свидетельствует о двухмерном механизме электропроводности. Температурный интервал, в котором происходит фазовый переход, величина изменения электропроводности и его гистерезис при фазовом переходе в оксидных пленках ванадия связан с толщиной и фазовым составом оксидного слоя, нестехиометричностью фазы VO: , являющейся основой оксидного слоя, а также кристаллическим состоянием слоя.
В работе [32] исследовалось влияние стехиометрического состава на температуру ФП, величину скачка электропроводности при ФП и значений электропроводности в полупроводниковой и металлических фазах, как в случае объемных монокристаллов, так и порошковых образцов VO2 с ргізной степенью СТеХИОМетрИИ В облаСТИ ГОМОГеННОСТИ СООТВеТСТВеННО VOis99 - VO2 И VOi,96 термического ФП за счет Отклонении от имеет место пленках VO2, V02,o4- Было показано, что недостаток содержания кислорода в пределах интервала гомогенности приводит к снижению температуры ФП на 10 С и соответственно увеличению ширины термического гистерезиса, снижению скачка электропроводности при ФП до двух порядков величины за счет увеличения на два порядка величины электропроводности в полупроводниковой фазе. В случае избытка содержания кислорсда происходит повышение температуры на 2 С и соответственно ширины гистерезиса, повышение скачка электропроводимости при снижения электропроводности в полупроводниковой фазе. При стехиометрического состава в сторону недостатка кислорода увеличение объема элементарной ячейки на -0,1%.
В работе [28] показано, что в поликристаллических толщиной 150- 200 нм, полученных путем термического окисления пленок ванадия, имеет место неоднородное распределение стехиометрического состава по толщине пленки. В поверхностном слое фазы VO2, нгіходившемся в контакте с окислительной средой, наблюдается избыток содержания кислорода, а переход к недостатку содержания кислорода характерен для остальной части слоя. Установлено, что недостаток содержания кислорода приводит к снижению температуры фазового перехода на 40 С, тогда как изоляторное температуре). при избытке содержания кислорода температура фазового перехода возрастает на 7 С. Аналогичные результаты получены в наших исследованиях. В работе [28] высказано соображение, что недостаток содержания кислорода приводит к изменению параметров электронной структуры фазы VO2 (уширение Зё-зон и ослабление межэлектронных корреляций дестабилизирует состояние и приводит к фазовому переходу при более низкой Избыток содержания кислорода изменяет параметры электронной структуры в противоположном направлении (сужение Зё-зон и усиление электрон-корреляционных эффектов стабилизирует изоляторное состояние и повышает температуру фазового перехода).
Отработка технологии изготовления сред A-V02 с заданной петлей термического гистерезиса
Способ изготовления оксидных пленок на основе фазы V02 [38], включающий одновременную установку толщины d слоя V в диапазоне 4(К60 нм и времени его окисления на воздухе при 480±10 С до образования оксидного слоя толщиной 2d в диапазоне 80 +- 120 нм соответственно, что обеспечивает получение пленок с заданной формой петли гистерезиса оптических и электрических свойств.
Кроме того, указанный способ изготовления оксидных пленок на основе VO2 позволяет варьировать стехиометрический состав и степень структурного совершенства получаемых пленок. Вариация стехиометрического состава оксидного слоя осуществляется путем регулирования температуры термообработки слоя V. Форма и ширина пленки термического гистерезиса фазы VO2 оксидного слоя может изменяться за счет структурных нарушений слоя V (трещин, дислокаций) так и качества поверхности подложки. На основании микроструктурных исследований можно сделать вывод, что увеличение ширины термического гистерезиса фазы V является следствием термодинамической неравномерности состояния вещества с непорядочным расположением атомов.
Неравномерность распределения толщины слоя V - диэлектрических подложках размером до 100x100 мм2 при толщине слоя 50нм составляла ±2,5 нм.
Следует отметить, что температура окисления пленок V является ключевым технологическим фактором при образовании оксидного слоя. Муфельная электропечь МП-2УМ подключалась к сети питания через мощный автотрансформатор, при этом точность поддержания температуры на уровне 500 С составляла ±25 С. Оптимальная величина температуры термообработки составляла 480 С. С целью обеспечения равномерности теплового потока, воспринимаемого поверхностью подложки, покрытой слоем V, последняя помещалась внутри печи на использованных опорах из огнеупорного материала.
При изготовлении время окисления фиксируется по секундомеру, а цветовая окраска оксидного слоя сравнивается с эталоном, что обеспечивает получение требуемой его толщины. Контроль толщины слоя V02 проводился интерференционным методом на микроинтерферометре МИИ-4 и спектрометрическим методом. Измерение температурного гистерезиса отражательной способности среды A-V02 в видимой и ближней ИК-области спектра проводили согласно схеме, разработанной в работе [66], которая представлена на рис 2.8. За выходной щелью 1 монохроматора (СФ-16) помещалась приставка зеркального отражения 2, с помощью которой среда А-V02 3, размещенная на термостатируемом нагревателе 4, облучалась световым потоком на требуемой длине волны. Отраженный от среды 3 и от приставки 2 световой поток попадал на фотоэлемент 7 (Ф5). Сигнал с нагрузки 8 фотоэлемента 7 усиливался электрометрическим усилителем 9, регистрировался электронным вольтметром 10 (В7-29) и подавался на у вход двухкоординатного самописца 11. Температура нагревателя 4 контролировалась термопарой 5 и электронным вольтметром 6 (Щ68003), сигнал с термопары 5 подавался на выход двух координатного самописца (ЛКД 4-003). Величина коэффициента отражения среды A-VC 2 измерялось относительно эталона (алюминиевое зеркало), для чего на выходе электронного вольтметра 10 снимались в относительных единицах отражения зеркала, а затем на его место помещалась среда A-VC 2, включался термостатируемый нагреватель 4 (скорость нагрева 10 С/мин) и двух координатный самописец 11.
Задачей процесса изготовления является выполнение оксидного слоя на основе фазы VO2 с формой петли гистерезиса, приближающейся к прямоугольной. Как показали микроскопические исследования, двухмерный механизм электропроводности сохраняется до толщины оксидного слоя 140 нм. Поэтому, чтобы иметь возможность получать пленки с разной шириной - выходная щель монохроматора СФ-16; 2 - приставка зеркального отражения; 3 - термохромная среда; 4 - термостатируемый нагреватель 5 - термопара (медь - константан); 6 - электронный вольтметр (Ш68003) 7 - фотоэлемент Ф-5; 8 - нагрузка фотоэлемента R=2,2 ГОм 9 - электрометрический усилитель У5-9; 10 - электронный вольтметр В7-27 11- прибор лабораторный компенсационный двухкоординатный ЛКД 4-003. петли гистерезиса их толщина не должна превышать 140 нм. Кроме того, необходимо учитывать, что с ростом толщины пленки увеличивается ее поглощение, что еще сужает диапазон толщин пленок V02, пригодных для практического использования.
На рис. 2.9 приведены зависимости термического гистерезиса коэффициента отражения сред A-V02 на длине волны 1,06 мкм, выполненных на кремниевых монокристаллических подложках с толщиной слоя V02 соответственно 85, ПО, и 120 нм. На рис. 2.10 для наглядности приведены зависимости термического гистерезиса коэффициента отражения сред At-V02 на длине волны 0,63 и 1,06 мкм.
Дифракционная эффективность трёхслойных термохромных сред
Объективным критерием, характеризующим качество регистрирующей среды, является дифракционная эффективность гс решетки, записанной на ней. Под л понимают отношение интенсивности дифракционного максимума первого порядка к интенсивности излучения, освещающего решетку. Эффективность, т.е. амплитуда дифрагированной волны, определяется физической природой зарегистрированной интерференционной структурой (голограммой). Характер зарегистрированной голограммы данной средой определяет параметр Q=2%XylriL , где - X - длина волны записывающего света, у - толщина оксидного слоя, L=A/2sin(/2) - основной период решетки, где 0 -угол между объектным и опорными пучками [15]. Для среды A-V02 с толщиной оксидного слоя 0,12 мкм на длине волны 1,06 мкм Q 1, что позволяет регистрировать только плоские голограммы. В работе [12] показано, что голограммы на средах A-VC 2 являются амплитудно-фазовыми в среде с поглощением. На длинах волн А 0,63 мкм вклад фазовой составляющей преобладает. Дифракционная эффективность решетки определяется формой штриха. Форма штриха для амплитудной дифракционной решетки означает функцию зависимости от координаты коэффициента отражения, для фазовой решетки - такую же функцию коэффициента преломления. В свою очередь, форма штриха будет определяться не только параметрами материала, на котором записана решетка, но и режимом записи. В работе [90] показано, что синусоида распределения интенсивности регистрируемой интерференционной картины зависит от соотношения Jn0p/J(b где Jnop - минимальная интенсивность излучения, нагревающего среду А-\Ю2-Д до температуры ФП, J0 -постоянная составляющая интенсивности регистрируемой интерференционной картины и достигает максимального значения при отношении тпорЛо=1, что соответствует значению скважности равной 2. Оптимальный режим записи достигается в условиях адиабатического процесса нагрева среды АС-УОг-Д с толщиной слоя VO2 -120 нм длительность импульса излучения должна составлять 10_9с тп 4-10_8с. Чтобы на среде А-У02-Д образовалась решетка со скважностью равной 2, соответствующей оптимальной дифракционной эффективности, необходимо, чтобы постоянная составляющая интенсивности интерференционной картины была равна пороговой чувствительности среды. Указанные требования для сред А -УОг с толщиной слоя V02 не более 0,2 мкм, согласно данным работы [1] выполняются при т 4х10 с и пороговой экспозиции Епор = 0,3 хх0 42 (ДжХсм"2) на длинах волн 0,3+1,06 мкм. При этом максимум дифракционной эффективности будет сохраняться вплоть до собственной разрешающей способности слоя VO2, что согласно данным [12] составляет не менее 1000 мм"1. В работе [12] показано, что на длинах волн А 0,63 мкм величина дифракционной эффективности определяется в основном вкладом фазовой составляющей среды и величина r3 Ji (ф)ехр(—ау), где Ji(x) - функция Бесселя первого порядка, 2п Ф - глубина фазовой модуляции [ф= 7 (п-1)у/2], у - толщина слоя VO2, X - длина волны света, п - показатель преломления слоя VO2, а - коэффициент поглощения слоя VO2 в полупроводниковой фазе. Пример расчета дифракционной активности для оксидного слоя толщиной 120 нм. Толщина слоя фазы V02 составляет 90 нм. (р = (n-1) = (2,4-1)-0,045 ==0,34 X V2 1,06 Ji2 )=Ji2(0,34H),029 ехр(-ау)=ехр(-2-104-9-10"6)=0,83 гъ=0,029-0,83=2,4-10"2 Для оценки дифракционной эффективности регистрирующих сред использовалась известная схема, представленная на рис. 3.10, обеспечивающая запись голограмм путем проекции на среду под определенным углом двух плоских волн и последующее измерение дифракционной эффективности записанной решетки [94]. При этом требуется строгое соблюдение одинаковых диаметров и интенсивностей объектного и опорного пучков, а также достаточного их сведения в одну точку в плоскости среды. Это обуславливает использование в схеме высококачественного светоделителя или введения компенсатора в один из пучков, а также применение инфракрасных ЭОПов, если измерение ведется в инфракрасной области спектра. Несоблюдение указанных требований приводит к тому, что записанные голограммы содержат как недоэкспонированные, так и переэкспонированные участки, что приводит к снижению измеряемого значения Гэ. На среду (A-V02) 7 проецируется картина, образованная интерференцией двух плоских волн. Луч импульсного лазера 2 (ЛТИПЧ - 8) с модулированной добротностью расщепляется полупрозрачным зеркалом 5 на два. Зеркалом 6 лучи под углом сводятся на плоскости информационного поля среды 7. Зеркалом 12 часть излучения отводится для контроля энергии в интерферирующих лучах. С помощью фотодиода ФД - 256 производят измерение интенсивности первого порядка дифракции. Гелий - неоновый лазер 1 используется в качестве юстировочного. Схема позволяет проводить измерение дифракционной эффективности на длинах волн 0,63 и 1,06 мкм. Затвор 15 обеспечивает два режима измерений.
Модуль на основе термохромных индикаторов для отображения буквенно-цифровой информации
В работе [104] приведены сравнительные характеристики индикаторов способных функционировать в условиях интенсивной внешней освещенности (лампах накаливания, цветоконтрастных электромеханических элементах, высоковольтных электролюминесцентных индикаторах, термохромных индикаторах), а также объем и качество информационных моделей, реализуемых на указанных индикаторов для отображения буквенно-цифровой и мнемонической информации в информационных устройствах коллективного пользования, при воздействии интенсивной внешней освещенности, электромагнитных полей и ионизирующих излучений. Показаны эксплуатационные параметры модуля и области применения информационных табло на его основе.
В табло коллективного пользования, обеспечивающих отображение буквенно-цифровой и мнемонической информации, в условиях интенсивной внешней освещенности и в ночное время используется довольно узкая номенклатура индикаторов: накальные, электромеханические цвето-контрастные и высоковольтные люминесцентные. Каждому из указанных индикаторов присущи свои достоинства и недостатки, что и определяет их область применения.
Лампы накаливания отличаются высокой яркостью, малыми габаритами, простотой схемы управления и низкой стоимостью. Недостатком является низкая доля светового потока (2+3 %) в общем потоке излучения. Инерционность ламп накаливания зависит от режима включения. Цветное изображение элементов информационных моделей на лампах накаливания получают при использовании светофильтров, но при этом следует учитывать поглощение ими светового потока. Для повышения эффективности и равномерности свечения ламп используют световоды. Зависимость яркости лампы накаливания от напряжения носит нелинейный характер, при снижении напряжения на 20% уменьшается световой поток в два раза, но в четыре раза увеличивается среднее время между отказами [105]. Накальные индикаторы обладают сравнительно невысоким сроком службы -3000 ч, причем с повышением яркости накального индикатора, что положительно сказывается на условия визуального считывания информации, уменьшается срок его службы.
Достоинством цветоконтрастных электромеханических индикаторов является максимально возможный для пассивных индикаторов цветовой и яркостный контраст изображения, они потребляют энергию только в момент переключения. Информационные устройства на цветоконтрастных элементах изображения используются для воспроизведения букв, цифр, знаков препинания, рисунков, жанровых картин. Недостатком является небольшое быстродействие, так что информационные модели, построенные на этих индикаторах, содержат медленно сменяемые сведения. Кроме того, цветоконтрастным электромеханическим индикаторам присущи все недостатки подобных конструкций: залипание и отскакивание подвижных окрашенных пластин, сравнительно большая материалоемкость конструкции и трудоемкость
Высоковольтные люминесцентные индикаторы ИЛДЗ-Л, ИЛДЗ-К, ИЛДЗ-С используются, как правило, в престижных табло коллективного пользования, где на передний план выдвигаются эксплуатационные характеристики табло: цветность, яркость и контрастность отображаемой информации. Индикаторы обладают высоким быстродействием, что позволяет отображать телевизионное изображение. Недостатками указанных индикаторов является сравнительно невысокий срок службы, низкий коэффициент полезного действия, достаточно сложная конструкция и высокое питающее напряжение (6000 В), что значительно удорожает и усложняет эксплуатацию табло на основе этих индикаторов.
Похожие диссертации на Плёнки диоксида ванадия в устройствах индикаторной техники и микроэлектроники
