Cr-Nb共掺杂VO 2 外延薄膜金属—绝缘体转变与温度传感特性研究
发布时间：2022-01-24 03:28
VO2在68℃附近发生可逆一级金属—绝缘体相变（MIT）,在相变区域伴随着光吸收、折射率、电阻率、磁化率和比热等物理性质的改变。前期研究表明,VO2薄膜具有电阻温度变化系数（TCR）高且易于和现代半导体工艺兼容性好等特点,有望实现规模化应用。然而,VO2薄膜相变温度（68℃）低、TCR曲线迴滞大、对光波长的分辨能力差等缺点和不足,大大限制其在温度探测器和热红外探测器中的应用。针对上述问题,本论文采用元素共掺杂策略,探究了铬（Cr）和铌（Nb）两种金属元素共掺杂对VO2外延薄膜金属—绝缘体相变特性的调控规律,研究了掺杂VO2外延薄膜的微结构、温感和光感特性,并提出了光热探测电路的设计方案,取得了如下研究成果:（1）VO2薄膜微结构及其金属—绝缘体转变的掺杂和应变调控研究。采用磁控溅射技术,制备了不同掺杂比例VO2外延薄膜;利用XRD、RAMAN光谱、XPS等表征手段,研究了薄膜的晶体和电子结构,发现了Cr、Nb（共）掺杂不影响薄膜外延特...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
红外探测器的分类Fig1.1Classificationofinfrareddetectors
第一章绪论3图1.2（a）为相变前的单斜金红石结构，（b）为相变后的金红石四方结构Fig1.2(a)Showsthemonoclinicrutilestructurebeforethephasechange,and(b)showsthequadrilateralrutilestructureafterthephasechange由图1.2可以看出，当温度在相变温度以下时，VO2由四方金红石相转变为单斜相(VO2(M1)相)，在单斜相中V原子沿原来的c轴自发地发生二聚化现象，V-V原子链间距变为2.62和3.16，并且钒原子中的d轨道上的电子，都一一定位在了V-V键上，脱离了金属原子共有的属性，这导致VO2不再具有金属的导电性而呈现出n型半导体性质，V-V二聚导致VO2(R)相的c轴单胞加倍形成单斜晶系VO2(M1)相。在高温时VO2为金红石结构(VO2(R)相)，其中V原子和O原子构成V-O八面体，V原子沿着c轴方向等间距一一排列，且排列方式呈现线型(如图1.2(a))，V-V原子间距为2.85；在高温时VO2为四方金红石结构(VO2(R)相)，其中V原子和O原子构成V-O八面体，V原子沿着c轴方向等间距线性排列，V-V原子间距为2.87，同时钒原子中的d电子也成为所有金属原子所共有[22]。VO2在相变的过程中也伴随着能带结构的改变。Goodenough在1972年提出了相变的能级理论[23]，这种理论是基于已有的晶体场理论和分子-轨道理论的基矗如图1.3的示意图可以看出，价带σ和π的能带主要由O的2p电子态占据，而V原子中的3d电子态占据了相应的导带σ*和π*能带。根据晶体场理论，VO2(R)相中V原子的3d电子在V-O八面体晶体场的作用下分裂为eg能级和t2g能级，其中eg能级较高，所以处于费米面以上。而t2g能级位于费米能级附近则是因为能级较低的缘故。另外可以看出，在t2g能级的基础上又分裂d//态和π*态。当VO2发生相变时由等距的V-V原子链，变成二聚化的原子链，d//态将会分裂为全满的成键态和空?
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文4而使得π*能态能量升高，π*将远离费米能级而成为空态。最终在d//态和t2g态之间产生带隙，这就是从晶体场的能带角度出发来看待VO2的MIT。由上分析可知，VO2相变的本质就是在温度升高或降低至相变温度时，由于V4+离子的位置偏离，导致π*和d//轨道之间的位置产生变化，电子运动状态改变，失去了连续性，进而呈现出金属相向半导体相转变的性质[24]。图1.3VO2金属绝缘体转变能带结构示意图Fig1.3SchematicdiagramofbandtransitionstructureofVO2metalinsulator1.2.2二氧化钒的金属—缘体相变特性二氧化钒在发生金属—绝缘体转变后，其电学特性和光学特性都会发生剧烈的变化。1.2.2.1二氧化钒的光学特性二氧化钒金属-绝缘体相变过程中，光学性能会发生显著的剧烈变化[25][26]。其中表现最明显的就是光学透过率会发生显著变化。如图1.3所示为VO2薄膜分别在90℃和20℃下的光学透过率曲线。可以从图中清楚地看到，不管是在高温还是低温状态下，波长在300nm以下，也就是在紫外光波段，薄膜的光学透过率都是非常低的，几乎不透光。这说明VO2对紫外光具有极大的阻隔性，在紫外光的防护等应用上有极大的前景。而在波长400nm-760nm的可见光波段，高温下和低温下薄膜的光透过率都是随着波长增加而急速增加。且低温段也就是相变前的半导体状态下，可见光的透过率要略高于相变后的金属态的透过率。这种在20℃左右的室温段的低透过率的特点，可应用于窗户玻璃以及汽车玻璃涂层，也就是我们常说的智能窗的应用上。而在近红外光的波段，随着波长的增加，低温下半导体态的VO2薄膜的光透过率要明显高于高温下金属态的透过率。且随着波长的增长，
【参考文献】：
期刊论文
[1]X射线光电子能谱在材料研究中的应用[J]. 向诗银,杨水金. 湖北师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]微波布拉格衍射实验中模拟晶体位置选取的讨论[J]. 刘强春,花宁,尹新国. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2016(01)
[3]For progress in natural science: Materials international investigations of structural phase transformation and THz properties across metal–insulator transition in VO2/Al2O3 epitaxial films[J]. Mengmeng Yang,Yuanjun Yang,Liangxin Wang,Bin Hong,Haoliang Huang,Xiang Hu,Yi Zhao,Yongqi Dong,Xiaoguang Li,Yalin Lu,Jun Bao,Zhenlin Luo,Chen Gao. Progress in Natural Science:Materials International. 2015(05)
[4]光电安全认证及安全应用中的关键技术研究[J]. 翟瑞占,李英杰,李海明. 电子技术与软件工程. 2014(21)
[5]检测仪器的普及和应用[J]. 白燕,陈盛喜. 今日科苑. 2014(09)
[6]掺钾VO2薄膜制备及热致相变特性研究[J]. 宋林伟,张玉波,黄婉霞,赵冬,吴静,罗蓉蓉,徐元杰. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[7]非致冷微测辐射热计用Cd1-xZnxS高性能电阻温度系数材料[J]. 高. 红外. 2009(07)
[8]VOx微测辐射热计的研制[J]. 代建宾,雷静,赵建忠,胡长平. 激光与红外. 2001(06)
[9]分子束外延系统中生长Si/SiO2超晶格及其发光[J]. 林峰,盛篪,龚大卫,刘晓晗. 半导体学报. 1998(08)
[10]实用范德堡测量系统[J]. 施浩. 复旦学报(自然科学版). 1987(04)
博士论文
[1]VO2外延薄膜的制备和相变机理研究[D]. 杨蒙蒙.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]Co掺杂MgxZn1-xO薄膜的微结构及磁性研究[D]. 叶升涛.山东大学 2016
[2]阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究[D]. 付贵忠.常州大学 2015
[3]Ti、Y掺杂对氧化钒薄膜结构与性能的影响[D]. 郭瑞.电子科技大学 2015
[4]氧化温度和掺Mo对VO2薄膜温度电阻系数（TCR）的影响[D]. 陈飞.东华大学 2015
[5]VO2/Nb:SrTiO3异质结的电学性质及纳米团簇对VO2薄膜光电性质影响的研究[D]. 何帆.北京交通大学 2012
[6]VO2制作工艺与相变特性研究[D]. 胥进.华中科技大学 2011
[7]铝掺杂量对氧化锌薄膜光电性能的影响[D]. 穆慧慧.郑州大学 2010
[8]氧化钒薄膜的掺杂及电阻突变特性研究[D]. 赵力丁.电子科技大学 2006
本文编号：3605753
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
红外探测器的分类Fig1.1Classificationofinfrareddetectors
第一章绪论3图1.2（a）为相变前的单斜金红石结构，（b）为相变后的金红石四方结构Fig1.2(a)Showsthemonoclinicrutilestructurebeforethephasechange,and(b)showsthequadrilateralrutilestructureafterthephasechange由图1.2可以看出，当温度在相变温度以下时，VO2由四方金红石相转变为单斜相(VO2(M1)相)，在单斜相中V原子沿原来的c轴自发地发生二聚化现象，V-V原子链间距变为2.62和3.16，并且钒原子中的d轨道上的电子，都一一定位在了V-V键上，脱离了金属原子共有的属性，这导致VO2不再具有金属的导电性而呈现出n型半导体性质，V-V二聚导致VO2(R)相的c轴单胞加倍形成单斜晶系VO2(M1)相。在高温时VO2为金红石结构(VO2(R)相)，其中V原子和O原子构成V-O八面体，V原子沿着c轴方向等间距一一排列，且排列方式呈现线型(如图1.2(a))，V-V原子间距为2.85；在高温时VO2为四方金红石结构(VO2(R)相)，其中V原子和O原子构成V-O八面体，V原子沿着c轴方向等间距线性排列，V-V原子间距为2.87，同时钒原子中的d电子也成为所有金属原子所共有[22]。VO2在相变的过程中也伴随着能带结构的改变。Goodenough在1972年提出了相变的能级理论[23]，这种理论是基于已有的晶体场理论和分子-轨道理论的基矗如图1.3的示意图可以看出，价带σ和π的能带主要由O的2p电子态占据，而V原子中的3d电子态占据了相应的导带σ*和π*能带。根据晶体场理论，VO2(R)相中V原子的3d电子在V-O八面体晶体场的作用下分裂为eg能级和t2g能级，其中eg能级较高，所以处于费米面以上。而t2g能级位于费米能级附近则是因为能级较低的缘故。另外可以看出，在t2g能级的基础上又分裂d//态和π*态。当VO2发生相变时由等距的V-V原子链，变成二聚化的原子链，d//态将会分裂为全满的成键态和空?
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文4而使得π*能态能量升高，π*将远离费米能级而成为空态。最终在d//态和t2g态之间产生带隙，这就是从晶体场的能带角度出发来看待VO2的MIT。由上分析可知，VO2相变的本质就是在温度升高或降低至相变温度时，由于V4+离子的位置偏离，导致π*和d//轨道之间的位置产生变化，电子运动状态改变，失去了连续性，进而呈现出金属相向半导体相转变的性质[24]。图1.3VO2金属绝缘体转变能带结构示意图Fig1.3SchematicdiagramofbandtransitionstructureofVO2metalinsulator1.2.2二氧化钒的金属—缘体相变特性二氧化钒在发生金属—绝缘体转变后，其电学特性和光学特性都会发生剧烈的变化。1.2.2.1二氧化钒的光学特性二氧化钒金属-绝缘体相变过程中，光学性能会发生显著的剧烈变化[25][26]。其中表现最明显的就是光学透过率会发生显著变化。如图1.3所示为VO2薄膜分别在90℃和20℃下的光学透过率曲线。可以从图中清楚地看到，不管是在高温还是低温状态下，波长在300nm以下，也就是在紫外光波段，薄膜的光学透过率都是非常低的，几乎不透光。这说明VO2对紫外光具有极大的阻隔性，在紫外光的防护等应用上有极大的前景。而在波长400nm-760nm的可见光波段，高温下和低温下薄膜的光透过率都是随着波长增加而急速增加。且低温段也就是相变前的半导体状态下，可见光的透过率要略高于相变后的金属态的透过率。这种在20℃左右的室温段的低透过率的特点，可应用于窗户玻璃以及汽车玻璃涂层，也就是我们常说的智能窗的应用上。而在近红外光的波段，随着波长的增加，低温下半导体态的VO2薄膜的光透过率要明显高于高温下金属态的透过率。且随着波长的增长，
【参考文献】：
期刊论文
[1]X射线光电子能谱在材料研究中的应用[J]. 向诗银,杨水金. 湖北师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[2]微波布拉格衍射实验中模拟晶体位置选取的讨论[J]. 刘强春,花宁,尹新国. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2016(01)
[3]For progress in natural science: Materials international investigations of structural phase transformation and THz properties across metal–insulator transition in VO2/Al2O3 epitaxial films[J]. Mengmeng Yang,Yuanjun Yang,Liangxin Wang,Bin Hong,Haoliang Huang,Xiang Hu,Yi Zhao,Yongqi Dong,Xiaoguang Li,Yalin Lu,Jun Bao,Zhenlin Luo,Chen Gao. Progress in Natural Science:Materials International. 2015(05)
[4]光电安全认证及安全应用中的关键技术研究[J]. 翟瑞占,李英杰,李海明. 电子技术与软件工程. 2014(21)
[5]检测仪器的普及和应用[J]. 白燕,陈盛喜. 今日科苑. 2014(09)
[6]掺钾VO2薄膜制备及热致相变特性研究[J]. 宋林伟,张玉波,黄婉霞,赵冬,吴静,罗蓉蓉,徐元杰. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[7]非致冷微测辐射热计用Cd1-xZnxS高性能电阻温度系数材料[J]. 高. 红外. 2009(07)
[8]VOx微测辐射热计的研制[J]. 代建宾,雷静,赵建忠,胡长平. 激光与红外. 2001(06)
[9]分子束外延系统中生长Si/SiO2超晶格及其发光[J]. 林峰,盛篪,龚大卫,刘晓晗. 半导体学报. 1998(08)
[10]实用范德堡测量系统[J]. 施浩. 复旦学报(自然科学版). 1987(04)
博士论文
[1]VO2外延薄膜的制备和相变机理研究[D]. 杨蒙蒙.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]Co掺杂MgxZn1-xO薄膜的微结构及磁性研究[D]. 叶升涛.山东大学 2016
[2]阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究[D]. 付贵忠.常州大学 2015
[3]Ti、Y掺杂对氧化钒薄膜结构与性能的影响[D]. 郭瑞.电子科技大学 2015
[4]氧化温度和掺Mo对VO2薄膜温度电阻系数（TCR）的影响[D]. 陈飞.东华大学 2015
[5]VO2/Nb:SrTiO3异质结的电学性质及纳米团簇对VO2薄膜光电性质影响的研究[D]. 何帆.北京交通大学 2012
[6]VO2制作工艺与相变特性研究[D]. 胥进.华中科技大学 2011
[7]铝掺杂量对氧化锌薄膜光电性能的影响[D]. 穆慧慧.郑州大学 2010
[8]氧化钒薄膜的掺杂及电阻突变特性研究[D]. 赵力丁.电子科技大学 2006
本文编号：3605753
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3605753.html
