Содержание к диссертации
Введение. 11
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
Оптические свойства среды A-V02 51
Размеры и форма кристаллитов оксидного слоя ванадия
в зависимости от вариации технологии изготовления. 64
2. Технология изготовления сред А-У02-Д (диэлектрик)
и их оптические и светотехнические параметры. 77
Технология изготовления, цветовые переходы, яркостные и цветовые контрастности сред A-V02. 77
Отработка технологии изготовления сред AE-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-\Ю2-Д. 119
Потребляемая мощность, время реакции и релаксации преобразователей изображения. 119
Пороговая чувствительность, порог разрушения среды 129
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
Преобразователи изображения АЛЮ2-Д на гибких диэлектрических подложках в аэродинамических экспериментах. 164
Модуль на основе термохромных индикаторов для отображения буквенно-цифровой информации. 169
Визуализатор оптического излучения. 190
4.4 Голографический транспарант. 211
4.4.1 Голографические транспаранты на основе среды АС-УОг-Д
в устройствах когерентно-оптической обработки информации. 220
5. Конструкции устройств измерений, записи и ослабления
электромагнитного излучения. 226
Приемники оптического излучения. 226
Автономный измеритель распределения энергии
(мощности) излучения ОКГ. 256
Анализатор пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения. 269
Модуль ИК - излучения. 277
5.5 Терморегулируемый ограничитель СВЧ мощности. 284
Выводы. 291
Литература. 295
Приложение. Программа сбора, обработки и визуального
отображения измерительной информации 311
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 100x100 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 использование 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"" с, характеризуется наличием температурного гистерезиса оптических и электрических свойств, что обеспечивает реверсивную память [7]. По данным работы [8], среда A-V02 обладает: постоянной чувствительностью 10"4 и 10" Джхсм" в режиме памяти соответственно в диапазонах длин волн 0,3+3,37мкм 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-VC>2, 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 термохромнои среды А-\Ю2-Д (алюминиевое зеркало - слой VO2 - слой диэлектрика) с улучшенными оптическими параметрами.
В настоящее время разработано большое ^мсло 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 топографической 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 Al-V02 по чувствительности и разрешающей
способности находится между фототермопластическими и
магнитооптическими материалами. Недостатком среды A-VC>2 является низкая дифракционная эффективность -1,4% и постоянная потребления энергии в режиме хранения информации. Технологический процесс изготовления среды At-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-У02-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 V02 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 AE-V02 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 VO2 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.
3. Разработкой новых способов изготовления преобразователей изображения
на основе плёночной структуры АС-УС^-Д (диэлектрик) на жестких и
гибких диэлектрических подложках.
4. Разработкой серийной технологии изготовления среды АЕ-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-У02-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-\Ю2-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 Ai-VOz-Д.
Разработкой устройства для исследования распределения тепловых потоков на поверхности тел сложной формы с использованием среды АС-УСЬ-Д, выполненной на полиимидной подложке.
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-У02-Д с управляемым терморегулятором обеспечивающим экспрессный контроль пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения;
голографического транспаранта на основе среды АС-УОг-Д с термоуправлением и размером рабочего поля от 12*12 до 48x60мм2, 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+1 с, с диапазоном измерения на длинах волн 0,3+3,39 мкм и 5,0+10,6 мкм соответственно от 3-Ю"6 до 1,3 Дж/см2 и от ІЗ-Ю^доЗ^Дж/см2;
автономного измерителя распределения энергии (мощности) импульсного и непрерывного лазерного излучения ИРЭ - 24 на длинах волн 0,3+10,6мкм, 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+1 0,6мкм, содержащего многоэлементный приёмник на основе V02 персональный компьютер IBM PC/XT и устройство сопряжения;
модуля ИКнизлучения 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+10 ГГц затухание СВЧ - колебаний до 10 дБ, при неравномерности АЧХ 0,5 дБ и начальных потерях 1,8 дБ.
Похожие диссертации на Пл#нки диоксида ванадия в устройствах индикаторной техники и микроэлектроники
