Scalable Thin-Film Fabrication for THz Optical Switching Devices in Vanadium Dioxide

二氧化钒中太赫兹光开关器件的可扩展薄膜制造

基本信息

  • 批准号:
    1207507
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-06-01 至 2016-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Technical Description: Vanadium dioxide exhibits a reversible insulator-to-metal transition that can be initiated optically with femtosecond lasers, and is thus potentially ideal for high-speed electronic, photonic and memory devices. This research project addresses two challenges to the realization of this potential: First, the insulator-to-metal transition is fast (sub-picosecond), but the metal-to-insulator transition is slow (sub-nanosecond) because it requires a rearrangement of crystal structure. Second, scalable low-temperature thin-film fabrication has not been demonstrated for epitaxial vanadium-dioxide films on technologically useful substrates. The activity addresses these issues by correlating materials properties (film morphology, substrate interactions, dopant concentration, lattice match, strain and crystalline phases) to the static and dynamic optical constants of the thin-film structures and to the time-dependent electronic response and lattice vibrations that govern the speed of the transition. The relative merits of sputter, electron-beam and atomic-layer film-deposition techniques are assessed and the equilibrium optical and physical properties of the films are characterized by ellipsometry, X-ray diffraction and by high-resolution transmission-electron, Raman and X-ray photoelectron microscopy. Dynamical optical properties are measured with femtosecond time resolution by visible, infrared and THz pump-probe spectroscopy, time-dependent ellipsometry, interferometric autocorrelation and photoelectron electron microscopy.Non-technical Description. Vanadium dioxide is a remarkable material that changes from an insulator to a metal in about a trillionth of a second when illuminated by a short burst of laser light, making it ideal for applications in telecommunications, electronics and optical computing. The goal of this project is to optimize vanadium dioxide properties to make the fastest possible optical switch while developing fabrication tools to make vanadium dioxide thin-film devices on a size scale suitable for real-world applications. The project promotes the development of the future science and engineering work force by training graduate students to think and work at the interdisciplinary boundary between science and engineering. The research fosters work-force diversity by recruiting a graduate student from, and collaborating with researchers at, two universities that serve underrepresented populations. Undergraduate students involved in the research present the concept of optical switching to local high school students through Vanderbilt Students Volunteering for Science. Statewide impact on future science and engineering undergraduates is fostered by a long-standing interaction between the graduate students and the annual Tennessee Governor's School for Emerging Technologies. The research project also motivates ongoing dialogue with industrial partners who are developing technologies based on vanadium dioxide.
技术描述:二氧化钒表现出可逆的绝缘体到金属的转变,可以用飞秒激光器光学引发,因此可能是高速电子、光子和存储设备的理想选择。 该研究项目解决了实现这一潜力的两个挑战:首先,绝缘体到金属的转变速度很快(亚皮秒),但金属到绝缘体的转变很慢(亚纳秒),因为它需要重新排列的晶体结构。 其次,尚未证明可扩展的低温薄膜制造可用于技术上有用的基板上的外延二氧化钒薄膜。 该活动通过将材料特性(薄膜形态、基底相互作用、掺杂剂浓度、晶格匹配、应变和晶相)与薄膜结构的静态和动态光学常数以及与时间相关的电子响应和晶格相关联来解决这些问题控制转变速度的振动。 评估了溅射、电子束和原子层薄膜沉积技术的相对优点,并通过椭圆光度法、X 射线衍射以及高分辨率透射电子、拉曼和 X 射线来表征薄膜的平衡光学和物理性质。射线光电子显微镜。 动态光学特性通过可见光、红外和太赫兹泵浦探针光谱、时间相关椭圆光度法、干涉自相关和光电子显微镜以飞秒时间分辨率测量。非技术描述。 二氧化钒是一种非凡的材料,当受到短暂的激光照射时,它会在大约万亿分之一秒的时间内从绝缘体转变为金属,使其成为电信、电子和光学计算应用的理想选择。 该项目的目标是优化二氧化钒的特性,制造尽可能最快的光开关,同时开发制造工具,制造适合实际应用尺寸的二氧化钒薄膜器件。 该项目通过培养研究生在科学与工程的跨学科边界上思考和工作,促进未来科学和工程劳动力的发展。 该研究通过从两所为弱势群体提供服务的大学招募一名研究生并与研究人员合作,促进劳动力多元化。 参与研究的本科生通过范德比尔特大学学生科学志愿活动向当地高中生展示了光交换的概念。 研究生与一年一度的田纳西州州长新兴技术学院之间的长期互动,促进了对未来科学和工程本科生在全州范围内的影响。 该研究项目还促进了与正在开发二氧化钒技术的工业合作伙伴的持续对话。

项目成果

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