基于碳化硅衬底的二氧化钒薄膜的生长及相变性能研究
发布时间：2022-01-25 02:57
热致相变材料在能量储备、光电开关器件和智能涂层等方面具有很大的应用前景。接近室温的相变转换温度（68℃）使得VO2在众多的相变材料中引起广泛关注。在绝缘-金属态的转变过程中,VO2会发生单斜相过渡为四方金红石相,并导致其电学、光学以及磁学性能产生剧烈的变化。VO2的相变特性与其薄膜的质量紧密相关,特别是其表面的连续性和完整性对于相变前后电阻的变化幅度起着重要作用。与此同时,衬底所具备较高的热导率以及与薄膜之间良好的晶格匹配关系都将有助于提高薄膜的结晶质量。SiC作为第三代宽带隙半导体,因其自身的多晶型、高硬度、高热稳定性、高热导率和高击穿电场等优异特性,具有广泛的应用前景,并被认为是下一个取代硅的重要半导体材料。同时发现,多种晶型的SiC与VO2薄膜展出较好的晶格匹配。因此,可尝试将SiC材料作为外延生长VO2薄膜非常有效的衬底。此外,碳化硅的另一个特点是可通过在超高真空环境下高温退火外延生长石墨烯,而石墨烯独特的电学、热学以及对可见光近乎全透过的光学性质使得其成为一种极具应用...
【文章来源】：淮北师范大学安徽省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)和(b)分别是四方金红石相和单斜M1相的VO2晶体结构
淮北师范大学2020届硕士学位论文基于碳化硅衬底的二氧化钒薄膜的生长及相变性能研究3相变是由电子间的强相互作用而造成的。温度升高使得VO2中V-V对电子间关联作用减弱，进而导致V-V键断裂，VO2内载流子增多触发热致相变。对于Mott相变机制的解释，也有很多的实验结果提供验证。如IBM阿尔玛登研究中心通过改变RuO2缓冲层的厚度来产生不同的晶面应力，从而使得VO2(001)薄膜的绝缘-金属体转变温度由12℃连续变化到72℃。[24]该团队使用X射线吸收光谱并结合X射线衍射和电子传输测量实验样品，发现相转变温度和整个转变过程中的结构变形取决于金属态下的d|轨道占有率，进而佐证了Mott相变对于VO2相变的解释。如图1.2[25]所示，JaewooJeong等人通过电场诱导产生氧空位从而抑制金属到绝缘体的转变,随着门控电压的持续升高，促使VO2外延薄膜的金属相稳定在5K以下。此外，通过光载流子注入,[26]热电子注入[27]等也能够通过Mott相变解释VO2的金属绝缘相变行为。图1.2通过电解液门控抑制金属到绝缘体的转变，进而降低相变温度。[25]1.1.3二氧化钒的相变特点VO2由单斜绝缘相转变为四方晶系金属相的过程中在相变温度、晶体结构、电阻率和介电常数、光电性能等方面伴随着非常明显的变化。下面将对这些相变特点进行具体介绍。(1)相变温度接近室温的热致相变温度和相变过程中伴随着多方面性质的显著变化使得VO2在众多的相变材料中脱颖而出并引起广泛的研究。其相变温度受VO2中各元素化学计量比影响，当V:O1:2（含有杂质离子或氧空位）时，其相变温度
淮北师范大学2020届硕士学位论文基于碳化硅衬底的二氧化钒薄膜的生长及相变性能研究8可促使VO2的绝缘-金属转变。此外，VO2薄膜与硅基衬底的结合在太赫兹器件领域中也有着大量研究。VO2薄膜作为一种快速显著的相变材料在太赫兹开关和调制器件方面提供了潜在的应用前景。例如，QiwuShi[52]等人通过溶胶-凝胶法在单晶硅上制备出0.1-1.5THz范围内具有约70％的透射率调幅的VO2薄膜。纪春辉[53]等人在高纯度硅基底上制备的VO2薄膜(掺杂6.5当量Nb)表现出优异的热致相变特性，其IMT过程中对于THz的调控率高达62.5％。图1.6(a)偏置电压控制VO2/n-GaN/Al2O3光器件的示意图。(b)样品在不同偏压下的可见光-红外透过率。(c)1.8μm红外光的透过率与器件被阶梯式偏压加热时间的函数关系。电压每50s升高0.5V。(d)不同偏压下1.8μm红外透过率的动态响应。[48]然而，由于晶格匹配关系和衬底的自身属性等因素使得VO2与Si、GaN和ZnO等半导体衬底的结合在光电器件方面的应用效果仍然具有较大的提升空间。例如，在单晶硅衬底上直接生长VO2薄膜的一个关键因素是衬底与薄膜之间的晶格匹配度低，进而较难外延生长出高质量的VO2薄膜。针对这一现象，一个可行的方案是在Si衬底上通过引入缓冲层来提高VO2的热致相变特性。但缓冲层的引入往往会影响VO2与器件的结合，进而降低了器件的稳定性和使用效率。另外，单晶硅在空气中容易发生氧化，导致VO2薄膜基器件使用寿命的减少。因此，在提高VO2薄膜的结晶质量以及与相关器件结合的实际使用效率
【参考文献】：
期刊论文
[1]MBE法制备VO2薄膜及其中红外调制深度测量[J]. 刘志伟,路远,侯典心,邹崇文. 发光学报. 2018(07)
[2]用于红外激光防护的高开关率VO2薄膜[J]. 王雅琴,姚刚,黄子健,黄鹰. 物理学报. 2016(05)
本文编号：3607774
【文章来源】：淮北师范大学安徽省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)和(b)分别是四方金红石相和单斜M1相的VO2晶体结构
淮北师范大学2020届硕士学位论文基于碳化硅衬底的二氧化钒薄膜的生长及相变性能研究3相变是由电子间的强相互作用而造成的。温度升高使得VO2中V-V对电子间关联作用减弱，进而导致V-V键断裂，VO2内载流子增多触发热致相变。对于Mott相变机制的解释，也有很多的实验结果提供验证。如IBM阿尔玛登研究中心通过改变RuO2缓冲层的厚度来产生不同的晶面应力，从而使得VO2(001)薄膜的绝缘-金属体转变温度由12℃连续变化到72℃。[24]该团队使用X射线吸收光谱并结合X射线衍射和电子传输测量实验样品，发现相转变温度和整个转变过程中的结构变形取决于金属态下的d|轨道占有率，进而佐证了Mott相变对于VO2相变的解释。如图1.2[25]所示，JaewooJeong等人通过电场诱导产生氧空位从而抑制金属到绝缘体的转变,随着门控电压的持续升高，促使VO2外延薄膜的金属相稳定在5K以下。此外，通过光载流子注入,[26]热电子注入[27]等也能够通过Mott相变解释VO2的金属绝缘相变行为。图1.2通过电解液门控抑制金属到绝缘体的转变，进而降低相变温度。[25]1.1.3二氧化钒的相变特点VO2由单斜绝缘相转变为四方晶系金属相的过程中在相变温度、晶体结构、电阻率和介电常数、光电性能等方面伴随着非常明显的变化。下面将对这些相变特点进行具体介绍。(1)相变温度接近室温的热致相变温度和相变过程中伴随着多方面性质的显著变化使得VO2在众多的相变材料中脱颖而出并引起广泛的研究。其相变温度受VO2中各元素化学计量比影响，当V:O1:2（含有杂质离子或氧空位）时，其相变温度
淮北师范大学2020届硕士学位论文基于碳化硅衬底的二氧化钒薄膜的生长及相变性能研究8可促使VO2的绝缘-金属转变。此外，VO2薄膜与硅基衬底的结合在太赫兹器件领域中也有着大量研究。VO2薄膜作为一种快速显著的相变材料在太赫兹开关和调制器件方面提供了潜在的应用前景。例如，QiwuShi[52]等人通过溶胶-凝胶法在单晶硅上制备出0.1-1.5THz范围内具有约70％的透射率调幅的VO2薄膜。纪春辉[53]等人在高纯度硅基底上制备的VO2薄膜(掺杂6.5当量Nb)表现出优异的热致相变特性，其IMT过程中对于THz的调控率高达62.5％。图1.6(a)偏置电压控制VO2/n-GaN/Al2O3光器件的示意图。(b)样品在不同偏压下的可见光-红外透过率。(c)1.8μm红外光的透过率与器件被阶梯式偏压加热时间的函数关系。电压每50s升高0.5V。(d)不同偏压下1.8μm红外透过率的动态响应。[48]然而，由于晶格匹配关系和衬底的自身属性等因素使得VO2与Si、GaN和ZnO等半导体衬底的结合在光电器件方面的应用效果仍然具有较大的提升空间。例如，在单晶硅衬底上直接生长VO2薄膜的一个关键因素是衬底与薄膜之间的晶格匹配度低，进而较难外延生长出高质量的VO2薄膜。针对这一现象，一个可行的方案是在Si衬底上通过引入缓冲层来提高VO2的热致相变特性。但缓冲层的引入往往会影响VO2与器件的结合，进而降低了器件的稳定性和使用效率。另外，单晶硅在空气中容易发生氧化，导致VO2薄膜基器件使用寿命的减少。因此，在提高VO2薄膜的结晶质量以及与相关器件结合的实际使用效率
【参考文献】：
期刊论文
[1]MBE法制备VO2薄膜及其中红外调制深度测量[J]. 刘志伟,路远,侯典心,邹崇文. 发光学报. 2018(07)
[2]用于红外激光防护的高开关率VO2薄膜[J]. 王雅琴,姚刚,黄子健,黄鹰. 物理学报. 2016(05)
本文编号：3607774
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