掺钌对氧化钒薄膜结构与性能的影响

发布时间：2020-05-18 18:27

【摘要】：由于二氧化钒有着接近室温68℃左右的半导体-金属相变特性,使其在智能窗、光电开关与存储、非制冷红外探测器等领域有着广泛的研究。因受限于相变温度和相变滞回等特征,VO_2在实际器件中的应用存在一定的局限性。掺杂,作为一种有效的改善VO_2结构与性能的方式已经被众多科研工作者报道。本文利用磁控溅射法,以Ru元素掺杂为核心,制备了不同掺Ru比例、不同衬底温度、Ti-Ru共掺的VO_2薄膜,借助X射线衍射(XRD)、拉曼分析(Raman)、X射线光电子能谱分析XPS(EDS)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等表针分析手段,探究薄膜的成分、表面形貌、晶体结构等特征;利用四探针、台阶仪测试薄膜电阻率-温度相变特性,探究掺Ru、Ti-Ru共掺对VO_2相变特性的调控作用和机理。主要结论如下:(1)研究了掺Ru对二氧化钒微结构与性能的影响。掺Ru的VO_2薄膜仍保持了单斜M相结构,晶粒尺寸减小;Ru元素以+4价的形式存在于薄膜中,掺Ru能够缓解VO_2在空气中的自发氧化;掺Ru抑制了薄膜颗粒的生长,降低表面粗糙度。掺Ru可以有效降低薄膜的相变温度(T_(SMT)),每掺杂1at%Ru降低相变温度10.5~oC,Ru~(4+)离子降低T_(SMT)的效果要优于其他四价掺杂剂。常温下掺Ru显著的提高了薄膜电阻温度系数(TCR)和降低了电阻率,掺Ru浓度为2.32at%的VOR-4薄膜TCR高达4.82%/℃而电阻率仅为0.63Ω·cm,这为制备低T_(SMT)、低电阻率、高TCR的VO_2薄膜提供了一种新的方法。(2)在掺Ru二氧化钒相变特性研究基础上,进一步研究不同衬底温度对掺Ru二氧化钒微结构与性能的影响。衬底温度升高会削弱掺Ru氧化钒薄膜相变性能和降低电阻温度系数(TCR),当温度高于150℃,掺Ru氧化钒薄膜有着金属态VO_2的电阻率,相变特性被完全抑制,TCR明显减小;衬底温度升高显著降低薄膜晶粒尺寸但不影响薄膜单斜M相结构。(3)研究了Ti-Ru共掺对二氧化钒微结构与性能的影响。Ti-Ru共掺降低薄膜晶粒尺寸不改变单斜态特征,Ti和Ru在薄膜样品中都是以+4价的形式存在的;Ti-Ru共掺抑制了薄膜表面颗粒生长,使薄膜表面致密度更好。掺Ti完全抑制了薄膜的相变性能,掺Ru降低薄膜常温下的电阻率,Ti-Ru共掺使薄膜获得较高TCR且在测温范围内保持稳定。这为制备低电阻率、无相变、高TCR可用于非制冷红外探测器的VO_2薄膜提供了一种新的方法。
【图文】：

晶体结构,相变,亚稳态,相变特征

膜不均匀、缺陷多、易氧化等问题。因而，制备高纯相的 VO2仍旧是未来研究的重要课题。1.2 M 相二氧化钒的相变特征与相变机理1.2.1 二氧化钒的相变特征VO2是一种 V 为+4价的钒氧化合物，通常情况下，根据氧原子与钒原子不同排列规则，可将 VO2分为4种晶体结构，分别是：四方晶格 VO2（A）、单斜结构VO2（B）、单斜结构 VO2（M）、金红石结构 VO2（R）。在一定特定条件下，不同晶体结构的 VO2可以实现相互转变，亚稳态 VO2（B）可以直接转变为稳态的VO2（R），也可以先转变为另一种亚稳态 VO2（A），再由亚稳态 VO2（A）转变为稳态的 VO2（R），这些转变都是单向性的[12]。VO2的相变温度是68℃,常温结构呈现单斜结构 VO2（M）半导体态，当温度达到相变点，结构呈现金红石 VO2（R）金属态，且两者之间的转变是双向性的，我们将这种转变称之为 MIT（metal-insulator transition）相变[2]。

曲线,电阻-温度特性,曲线,方块电阻

特性相变过程中，方块电阻也会随着温度发生改变，，从图1-2可以看相变前，当温度升高方块电阻下降速度较为缓慢；相变过程中度迅速增大，在某一温度下达到最大值，最大值对应下的温度即 TSMT；相变后，温度进一步升高方块电阻基本保持不变。在降开始降低时方块电阻缓慢增加与升温过程相同温度下对应的方温度降到相变温度附近后，电阻率迅速增加，增加速度最快时温下的相变温度记为 Tc，相变过程结束后，方块电阻缓慢增加度下对应的方块电阻保持一致。从图中可以明显地看出，升温率-温度特性曲线并不完全重合，存在相变滞回过程，滞回表示。一般而言，单晶结构相比多晶结构的 VO2拥有更小的滞回晶体结构、衬底材料、掺杂元素、晶粒尺寸等多方面影响。相化幅度可以达到2-5个数量级，不同制备工艺对 VO2相变性质都
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484

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