氧化钒薄膜的磁控溅射生长及其光电性能研究

发布时间：2020-07-02 10:59

【摘要】：二氧化钒(VO_2)是一种相变材料,当温度达到相变点时,VO_2发生由低温半导体态到高温金属态的可逆转变,这种变化在数十个纳秒之间,同时伴随着电学和光学性质的突变,如在相变过程中其方块电阻(率)和红外-近红外光学透过反射率的重要改变。基于这一系列优异的光电特性,使得其材料具有较高的实用价值和广阔的应用前景,因此近年来备受广大学者的关注与研究。钒(V)作为3d过渡区的金属元素,具有多价性质,除了不同价态的钒氧化合物以外,同价态的二氧化钒之间存在着多种不同的晶相,因此制备纯相高品质的二氧化钒薄膜仍是此领域的难题。本文以钒系氧化物为研究对象,在硅基底和石英衬底上制备了一系列高品质的VO_2、VO_2(B)和V_2O_3薄膜,意在通过制备工艺提高薄膜的结晶度与纯度,以提升VO_2薄膜的光电性能。借助场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)对样品的微观结构和品相结构进行表征,通过四探针电阻测试仪和可见-近红外-红外分光光度计测试了样品的变温方阻和透过率。重点研究了氧化钒薄膜在微测辐射热计和热致变色智能窗方面的应用,系统地讨论了不同制备工艺对氧化钒薄膜的电学方块电阻随温度的变化和光学透过率等性质的影响。论文主要包括以下几个方面:1)分析了VO_2薄膜的相变特性与价态结构,介绍了沉积VO_2薄膜的工艺流程,采用射频磁控溅射法,经过反复试验,我们最终获得了多组在硅和石英衬底上沉积VO_2薄膜的工艺参数,且每组参数制备的样品结晶性良好、可重复性高。此外,在不同衬底上表现出有差异的结晶状况,同一工艺参数下,在单晶硅上制备的薄膜样品的衍射峰总是比石英衬底上的更强,结晶度比石英衬底上制备的薄膜更好。2)根据应用的实际需求和与传感器技术的兼容性等问题,我们以350℃的沉积温度在单抛(100)硅衬底上通过改变氧气流量制备了一系列VO_2薄膜,对其结晶状况、方块电阻随温度变化情况进行了系统的分析。晶面衍射峰的移动说明氧气流量的增加引起了薄膜内部晶格结构的改变,氧气流量的增加导致薄膜晶粒尺寸呈现出逐渐增大的趋势,获得的样品具有优异的电学性能,可作为热敏材料使用。3)通过射频磁控溅射法直接一步在石英衬底上溅射VO_2薄膜,无需后退火程序,简化了复杂的制备工艺,研究了氧气流量对薄膜的物相结构、表面形貌和光电特性的影响,重点分析了样品的透过率随温度的变化。观察到溅射期间氧气流量对沉积薄膜的晶相形成具有显著影响,进而使薄膜的热致变色性能受到影响。我们在石英衬底上生长的高质量纯相VO_2薄膜对智能窗的应用具有很大潜力。4)对亚稳态VO_2(B)、V_2O_3等薄膜材料的制备进行了详细的介绍,通过物相结构、表面形貌、高低温四探针电阻测试等手段对样品的进行了表征。常温下亚稳态VO_2(B)薄膜没有发生半导体-金属的相变现象和热滞后效应,可以应用于非制冷红外探测器。通过沉积获得了沿多种晶相生长的V_2O_3薄膜,可以作为晶种层生长VO_2薄膜以提高后者的结晶度和热致变色性能。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O614.511;TB383.2

【参考文献】