1研究背景与核心问题

氧化钒（VxOx）微测辐射热计是长波红外（LWIR，8~12μm）非制冷热成像系统中应用最广泛的探测器类型。其工作原理是：微测辐射热计本质上是一个温度敏感电阻，电阻值随自身温度变化，通过施加偏置电流并监测端电压变化来感知入射辐射。典型器件采用Fabry-Perot腔结构，由吸收层、热敏层、机械支撑层、热隔离层和反射镜层自顶向下堆叠而成，以实现对入射红外辐射的最大吸收。

VxOx薄膜虽然具有高电阻温度系数（TCR）和适配CMOS读出电路的像素电阻，但其在LWIR波段的红外吸收系数较低，因此必须在探测器叠层中引入吸收材料层，先吸收红外辐射再通过热传导将热量传递给微测辐射热计。此前已有钛（Ti）、氮化硅（Si3N4）、氮化钛（TiN）和黑金等材料被用作VxOx基微测辐射热计的吸收层。镍铬合金（NiCr）具有高红外吸收系数和高热导率，已在钒钨氧化物（VWOx）、锗（Ge）、非晶硅（a-Si）等微测辐射热计中研究过，但在VxOx基微测辐射热计中尚未见报道。

本文通过数值仿真评估了在V2O5微测辐射热计顶部引入NiCr薄膜金属吸收层后的光学性能，并与Ti薄膜及无金属薄膜情况进行了对比。仿真使用Essential-Macleod软件包完成，NiCr薄膜的光学参数通过反射式红外光谱椭偏仪实验测定。

2NiCr薄膜的制备与表征

2.1 薄膜制备工艺

NiCr薄膜采用DC磁控溅射法沉积在硅（Si）衬底上，用于后续红外光学常数的椭偏表征。具体工艺参数如下：

  • 溅射靶材：Ni 80% / Cr 20%合金靶

  • 薄膜厚度：15nm

  • 溅射功率：150W

  • 腔体本底真空：1×10⁻⁶ Torr

  • 氩气（Ar）工作气压：3mTorr

2.2 形貌与成分表征

采用场发射扫描电子显微镜（JEOL JSM-7500F）以二次电子（SE）和背散射电子（BSE）成像模式对制备薄膜进行表征。SE图像显示NiCr薄膜表面非常光滑；BSE检测表明Ni-Cr合金混合均匀，未观察到Ni或Cr团簇。原子力显微镜（Veeco Multimode V）扫描结果与SEM一致，证明薄膜均匀且无岛状结构形成，平均表面粗糙度约为0.2nm，表面最高峰低于0.76nm。能量色散X射线光谱（EDX）测量显示薄膜元素分布均匀，Ni和Cr的重量百分比分别为78.16%和21.84%，与溅射靶材成分接近。

2.3 红外光学常数测量

椭偏测量使用SENDIRA红外椭偏仪，波长范围5~15μm。以傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪作为红外辐射源，辐射经宽带偏振器线偏振后，以50°、60°和70°三个角度入射到NiCr样品表面。部分入射辐射被样品表面反射后由氘代硫酸三甘肽（DTGS）探测器接收，探测器前配有补偿分析器。记录各角度下不同波长的椭偏参数Ψ和Δ，其中Ψ表示反射波平行分量与垂直分量振幅之比，Δ表示两者因衬底反射产生的相位差。波数分辨率设为16cm⁻¹，在20个分析器步进下采集500次强度扫描。将记录的Ψ和Δ光谱用Drude-Lorentz振子模型拟合（使用六个振子），拟合数据用于获取衬底的复折射率ñ = n + ik。

NiCr的折射率n和消光系数k在5~15μm波长范围内的测量结果如图1-c、d所示。Ti的n和k取自Macleod材料库，并在同一图中与NiCr对比。为确保与高质量NiCr薄膜的公平比较，Ti的填充密度在Macleod中设为高值，对应高质量均匀薄膜。

3薄膜吸收性能对比

图2-a展示了在LWIR波段近中段（约10.6μm）处，薄膜金属内部模拟光学吸收随金属厚度的变化。关键数据如下：

参数

NiCr

Ti

峰值吸收率

51%

39%

最佳厚度

约10nm

约8nm

厚度变化±20%时吸收变化

≤1%

≤2.2%

两种金属均能吸收大部分入射光功率，但NiCr的吸收率更高。NiCr在其最佳厚度（10nm）附近变化±20%时，吸收率变化不超过1%；而Ti在其最佳厚度（8nm）附近变化±20%时，吸收率变化不超过2.2%。这表明NiCr薄膜对金属厚度变化具有更大的制造容差。

图2-b展示了实验室中使用反射式红外光谱椭偏仪测得的V2O5薄膜的（n, k）数据。

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4微测辐射热计光学性能评估

薄膜金属通常置于微测辐射热计器件结构顶部，以增强器件总吸收。仿真结果表明，NiCr基器件的光学吸收响应近乎平坦，在整个LWIR（8~12μm）范围内具有宽带增强效果。与Ti相比，NiCr具有更高的吸收增强；与无金属情况相比，NiCr具有更宽的吸收响应。

此外，NiCr器件对空气隙厚度和金属薄膜厚度变化均表现出较大的不敏感性，这为制造提供了更大的工艺容差。在优化空气隙的器件中，NiCr基器件所需的空气隙厚度最小，这有利于缩短支腿长度，从而获得机械上更稳健的器件结构。

核心结论：NiCr薄膜金属层可显著提升V2O5微测辐射热计在LWIR波段的宽带光学吸收性能，同时提供更大的制造容差和更优的机械稳健性，是替代Ti作为吸收层的优选方案。