撰稿 / 秦紀維 (科學推展中心特約編輯)
審訂 / 鄭皓宇、林宮玄 (中央研究院物理研究所)
中央研究院物理研究所林宮玄博士及鄭皓宇同學，與國立臺灣大學、國立陽明交通大學、國立清華大學、中央研究院應用科學研究中心團隊合作，報導二氧化釩（VO2）薄膜的光激發存在新的暫態響應模式。該成果有利決定VO2光開關的最適操作參數。論文已發表於《Advanced Optical Materials》。
VO2的「金屬－絕緣體相變」（metal–insulator transition）一般是由加熱、機械應力或電流等方式引發晶格（單斜→四方）和電磁性質驟變。但有研究指出，利用超快雷射激發僅需數皮秒達成相變切換。應用有太赫茲光調變器、可重構天線、微機電感應器與智慧調光窗。其滯後現象（hysteresis）能用於類神經形態運算（neuromorphic computation）之記憶單元。
本研究使用飛秒雷射脈衝激發－探測技術先探討在不同環境溫度但受固定通量光激發下的樣品反應。其中，探測波長為反射率在變溫實驗中最顯著變化的波長。受激發後反射率之升降比率如圖1b所示演變。近室溫的薄膜是絕緣態，反射率驟降再緩升，25、35、45℃的「調變深度」即降幅皆相仿。金屬態則是陡升再降回，100℃以上差異不大顯示飽和。本片樣品轉變溫度約75.6℃，略低於此的60、70℃在驟降後持續緩降，數百皮秒觸底，數奈秒才復原，為「緩增長相」。略高的75、85℃更複雜，陡升後，緩降到最低點才又回升，彷彿金屬相疊加上緩增長相，故稱「混合相」。分析混合態之光響應，可推估金屬態與絕緣態的體積比。
圖1. 溫度調變下反射光譜的演化。(a)使用連續波光源量測的穩態反射光譜。插圖突顯了最大光譜偏移，發生在772.8奈米波長處。(b)不同相態下於772.8奈米的瞬態反射率響應熱圖。(c)–(f)自(b)中擷取的代表性曲線，展示VO2在不同相態下的瞬態響應。來源：參考文獻1
另一方面，在室溫加大激發光通量，初始載子的影響線性增強，最大深度則因晶格完全轉化呈飽和，弛豫時間也越長（圖2）。波長因素上，長波長激發的調變更深，但對弛豫時間幾無影響。對200奈米厚樣品如法炮製，調變深度雖更大，弛豫時間卻也更長。考慮光開關的理想性質是調變深度（對比）大，且弛豫時間（復原）快，但兩者似無法兼得。定義其比值為「效能係數」，其中弛豫時間定義為響應衰減到 1/e 所需時間。低通量下憑溫度操作可在35℃得效能係數極大值；若透在室溫下只增加光通量方式，可再改進4.94倍，顯出能耗效率與調變深度的取捨。綜上，求弛豫最短應選室溫且低激發光通量；只求深度最大，可選擇緩增長相溫度、或飽和的高光通量、增厚薄膜，或設計表面奈米共振結構（Mie resonator）。
圖2. 隨光通量變化的瞬態反射率動態行為。(a)不同激發光通量下的時間解析反射率量測，展示VO2響應隨激發強度增加的演化過程。(b)從(a)中擷取並正規化的瞬態曲線，突顯各自特徵。(c) 調變深度（MDcarrier與 MDmax）及其對應的弛豫時間隨激發光通量變化的定量分析。來源：參考文獻1
關於本成果，團隊感謝國科會、中研院、臺大研究計劃之支持。同時亦感謝清大奈微與材料科技中心與台灣半導體研究中心之協力。
參考資料：
[1] Cheng, H.-Y., Ye, M.-J., Chen, L.-H., Wang, Y.-Y., Chu, S.-W., Huang, Y.-L., Lu, Y.-J., Chen, K.-P., & Lin, K.-H. (2025). Dynamic Control of Photoresponse in VO2 Through Phase Manipulation. Advanced Optical Materials, Volume13, Issue30, e01935. https://doi.org/10.1002/adom.202501935
