《激光与光电子学进展》研究报告：Ag\V2O5彩色滤光膜温致变色特性研究

作者及发表信息

本研究由长春理工大学光电工程学院的张峻铭、张功（通信作者）、董科研、赵建行、张彦团队与英国西苏格兰大学薄膜、传感与成像研究所的宋世庚合作完成，发表于《激光与光电子学进展》（Laser & Optoelectronics Progress），网络首发日期为2025年12月22日，正式出版于2026年第63卷第15期，DOI编号10.3788/LOP252395。

学术背景

颜色滤光膜是显示技术、光通信及成像系统的核心光学元件，传统染色型滤光膜存在易褪色、污染环境等问题，而基于法布里-珀罗腔（Fabry-Pérot cavity, F-P腔）的结构色滤光膜虽能实现高饱和度颜色，但普遍存在膜层数多（如17层）、总厚度大（超1μm）及调控方式单一等缺陷。针对这些问题，本研究提出一种新型非对称F-P腔结构滤光膜，结合银（Ag）与五氧化二钒（V2O5）的材料特性，利用V2O5的热致相变特性（半导体-金属相变温度阈值257℃）和强光吸收能力，实现薄膜颜色动态调控，同时通过金属-介质界面非平凡相移效应降低膜厚。

研究流程与方法

1. 膜系设计与仿真

   使用TFCalc膜系设计软件优化结构，以抛光硅为基底，设计150nm Ag与不同厚度V2O5（23-50nm）组合的非对称F-P腔。通过反射光谱模拟与CIE1931色度计算，预测50nm V2O5复合膜色度坐标为（0.295, 0.310），亮度32.35%，总膜厚仅200nm。

2. 薄膜制备与表征

   • 单层V2O5薄膜：采用磁控溅射技术在硅衬底上沉积50nm非晶V2O5，真空度5×10^-6 Torr，氩气流量22 sccm，功率14.6%。

   • Ag\V2O5复合膜：先通过电子束热蒸发沉积150nm Ag（蒸发速率0.34 Å/s），再溅射50nm V2O5。

   • 表征手段：PerkinElmer Lambda1050+分光光度计测试反射光谱（300-800nm）；SEM与EDS分析形貌与组分；CODE软件拟合光学常数（n、k值）。

3. 热处理实验

   设置10℃间隔升温，观察单层膜在220℃和320℃的相变行为，以及复合膜在160-220℃的响应。通过反射曲线红移/蓝移、色度坐标变化（如单层膜从（0.370,0.368）移至（0.362,0.317））分析温度影响。

主要结果

1. 单层V2O5薄膜

   • 室温下360nm处反射率极小值（强吸收），升温至320℃时401nm处反射率突变13%，n值降低0.6，k值增加0.0253，证实半导体-金属相变。

   • 色度坐标变化幅度小，颜色饱和度不足（亮度12.72%），因单层膜干涉效应弱。

2. Ag\V2O5复合膜

   • 685nm处反射率极小值，160-220℃响应阈值显著低于单层膜，色度坐标从（0.310,0.315）移至（0.250,0.216），饱和度提升19%。

   • EDS证实薄膜组成为Ag\V2O5（V:O原子比1:2.5），SEM显示表面均匀性良好。

结论与价值

本研究通过非对称F-P腔设计，以200nm超薄膜厚实现高饱和度颜色输出，同时将温度响应阈值从单层膜的320℃降至160-220℃。V2O5的相变特性与Ag的等离子体共振协同作用，拓宽了颜色调控范围（如阶梯性变色）。该成果为智能光学薄膜在动态显示、微型光谱仪及光学传感领域的应用提供了新思路，尤其在降低能耗与膜厚方面具有显著优势。

研究亮点

1. 创新结构：金属-高吸收介质非对称F-P腔设计，突破传统多层膜厚度限制。

2. 动态调控：利用V2O5相变特性实现低温阈值（160℃）响应，优于同类研究（如Kats团队需150nm金+锗膜）。

3. 跨学科方法：结合TFCalc仿真、磁控溅射工艺与高温原位光谱分析，为薄膜光学性能研究提供范式。

其他价值

研究团队提出的“非平凡界面相移”机制为超薄光学薄膜设计提供了理论依据，未来可拓展至其他相变材料（如WO3）或等离子体材料（如Au）的组合优化。