二氧化钒(VO2)薄膜材料是一种具有相变特性的功能薄膜,在红外探测、非制冷红外成像、光控器件、智能窗、可调波段隐身装备和超表面等领域具有应用潜力。VO2相变过程受温度影响,升温降温过程中材料的结构发生从单斜相到四方相转变的一级相变。在相变的同时,VO2单晶薄膜伴随着4～5个数量级的电阻率突变和明显的光学透过率改变,尤其是红外波段的透过率由高变低,可应用于智能光学器件。然而,由于相变潜热的存在,VO2相变过程存在热滞回线,导致其结构和性能与温度不能一一对应,造成了红外伪装、可调谐光波导器件的应用困难。另一方面,VO2的相变温度在60℃左右,远高于室温,这为V02薄膜的广泛应用带来了不便。上述问题已成为制约VO2材料应用的关键难点。空位、替位原子、间隙原子等点缺陷对材料的结构和性能影响很大,可以对材料的晶相、电学和光学等方面的性能产生显著的影响。近年来,点缺陷对VO2材料的相变过程和结构性能的影响成为大家研究的重点,特别是点缺陷对VO2光学性能和电学性能的调控作用能够使我们得到较为理想的相变材料。如果合理的利用缺陷,可以解决VO2材料相变幅度小、存在滞回线和相变温度高等问题。本文紧紧围绕点缺陷对VO2薄膜结构性能的影响,采用激光脉冲沉积制备并调控VO2薄膜的点缺陷含量,采用共聚焦拉曼等表征方法手段测试材料相变过程,并基于等效媒质法和Drude-lorentz模型,研究了点缺陷对VO2结构和性能的影响,主要研究成果如下:(1)利用脉冲激光沉积技术制备了纯相的VO2薄膜,研究了不同氧分压条件下退火对样品的光电性能的影响,发现随着退火过程中氧分压的增加,薄膜相组成发生了从V2O3到VO2再到V2O5的转变;通过共焦拉曼显微成像技术观察到VO2薄膜在166 cn-1处出现了新的拉曼散射峰,这是在VO2和V2O5相中出现V4+/V5+混合价态区域。这些区域不参与金属-绝缘体相变过程,正如其持续且相对稳定的拉曼散射峰强度,直到高温区域;通过变温椭偏仪的测试拟合出在不同相变状态下材料的n,k值,采用Drude-lorentz模型和等效媒质理论对VO2薄膜的光学性质进行了拟合,得出了氧缺陷和VO2薄膜电学、光学性能变化状态的对应关系,特别是与材料光学常数的定量关系。(2)利用脉冲激光沉积技术制备了 Hf4+离子掺杂VO2薄膜,研究了 Hf4+离子缺陷对VO2薄膜性能的影响,发现相比于未掺杂VO2薄膜,Hf4+离子掺杂VO2可以显著减小金属-绝缘体相变过程中的滞回线宽度。掺杂后的薄膜电阻展现出明显的金属-绝缘体相变(MIT)特性,且电阻变化在2-3个数量级。当掺杂浓度为1 at.%和3 at.%时,薄膜的相变滞回线宽度分别从8.3℃减小到1.9℃和2.7℃。通过拉曼光谱分析,发现Hf4+离子掺杂会导致V-O振动模式发生蓝移,而对V-V振动声子模式几乎没影响;掺杂浓度为1 at.%和3 at.%样品的中红外热辐射成像结果表明该条件下制备的薄膜在加热和冷却过程中几乎没有滞回线现象。利用脉冲激光沉积技术将Hf4+离子掺杂VO2薄膜沉积在硅微环型器表面,研究了 Hf4+离子掺杂VO2薄膜对硅基微环型器性能的影响,发现该种薄膜可以对硅微环型器谐振峰位置和品质因子进行有效变温调控。(3)利用PLD技术制备了Hf4+/W4+离子掺杂VO2薄膜,研究了共掺杂对VO2薄膜性能的影响,发现当Hf4+离子掺杂浓度为1 at.%时,随着W4+离子掺杂浓度增加,(011)晶面的衍射强度逐渐增强,说明其结晶性不断改善。同时,对所制备的样品进行电学测试,其温度-电阻关系曲线表明Hf4+/W4+离子共掺VO2薄膜显著减小了材料的相变温度并使其相变滞回线宽度变窄。以上研究结果为理解不同氧化学量的氧化钒薄膜系统的相演化、MIT过程和光学性质提供了依据。同时,Hf4+离子掺杂和Hf4+/W4+离子共掺杂可显著减小VO2薄膜的相变温度并使其相变滞回线宽度变窄,这说明这种材料在红外伪装和热辐射控制应用中具有很好的潜力。