硅基氧化钒薄膜的制备及其相变性能研究

发布时间：2020-03-18 19:26

【摘要】：二氧化钒(VO_2)由于其在热、电、光等触发条件下的金属-绝缘体转变(metal-to-insulator,MIT)而在过去几十年中得到了广泛的研究。MIT伴随着电学和光学特性的突然的和大的变化,这使得VO_2成为电学、光学开关和调制应用的有巨大前途的材料。我们可以使用诸如热、光、电的外部激发来控制氧化钒膜的相变,使得VO_2膜对远红外光呈现透射和不透射状态,实现对远红外光波的调制。为了促成VO_2薄膜在远红外波段调制器件上的应用,VO_2薄膜应满足以下三个方面的性能要求:(1)绝缘状态具有高的远红外线透射率;(2)较大的远红外调制幅度;(3)较窄的滞回宽度。在满足这三个条件的前提下,可以使器件具有好的稳定性和可靠性、高的响应率和效率。与热致相变驱动的调制器件相比,电致相变驱动的调制器件能够与高速电子系统更好的兼容,研究VO_2薄膜的电致相变特性也很重要。本论文在分析国内外研究现状基础上,为了制备良好远红外调制性能的VO_2薄膜,做了以下的工作:(1)使用原子层沉积技术(Atomic layer deposition,ALD)在高阻Si衬底上制备了氧化铝(Al_2O_3)薄膜作为生长VO_2薄膜的缓冲层,Al_2O_3缓冲层的引入对氧化钒膜的热致相变特性有很大影响。实验结果表明:在Al_2O_3缓冲层厚度为40nm,VO_2薄膜厚度为300nm时,与300nm厚无缓冲层的VO_2薄膜相比,390 cm~(-1)处的调制幅度由51.2%提升到71.3%,在280 cm~(-1)处的调至幅度由18.0%提升到40.2%,而热滞回线宽度从18.5~oC降至11.8~oC,增强了VO_2薄膜的相变特性。(2)深入研究Al_2O_3缓冲层对于VO_2薄膜的影响,研究了不同厚度Al_2O_3缓冲层对于VO_2薄膜的影响以及相同缓冲层厚度条件下不同VO_2薄膜厚度对于相变特性的影响。实验结果表明,Al_2O_3缓冲层厚度越厚,对VO_2薄膜相变性能的优化越明显,而相同厚度Al_2O_3缓冲层条件下,且VO_2薄膜厚度在一定区间内时,厚度越薄,其相变性能越好,表明缓冲层对于VO_2薄膜的优化随着薄膜厚度的增加而减弱。(3)在ITO导电玻璃上制备VO_2薄膜,以ITO为底电极,研究VO_2薄膜在垂直方向上的电致相变特性。实验结果表明,VO_2薄膜的厚度影响着其电致相变的性能,同时其电致相变性能的变化趋势与其热致相变性能及结晶情况密切相关。
【图文】：

相图,钒氧化物,相图

第一章绪论言致变色材料是指一种特殊的、光学性质随着温度发生变化而变化的度的升高或降低到达一定的值，该材料的光谱透过率发生变化通常的变化。这样具有可逆的、记忆性的特殊材料广泛应用于电子信息、域。而在这些材料中，无机氧化物二氧化钒(VO2)因其优秀的热l-to-insulator，MIT）特性成为了它们当中的翘楚。为 5 族元素，钒在自然界中有着多种氧化物，如 V2O3、VO2、V2O5见的钒氧化物中，钒的价态分布在+2 到+5 之间[2]，如图 1-1 所示；的氧化钒也有许多不同的结构; 氧化钒通常由两相或更多相组成。而物中大多都具有热致 MIT 特性：即随温度的升降，钒氧化物的电导等物理性质会在达到某个温度时发生剧烈变化，该温度点即为相变温化钒(VO2)由于其接近室温的相变温度(68°C)而在过去几十年中得到[3]。

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子有更多的机会碰撞氩气原子，这导致更多的氩原子被到改善、成膜速率得到提高。所采用的直流磁控溅射仪器为沈阳市高真空应用技术位高真空磁控溅射装置，其简要示意图如图 2-1 所示。法主要分为两步：膜：分别通过机械真空泵和分子泵来使反应真空腔达到 2.0×10-3Pa 时，开启温控系统使基片加热到预定温度，，到真空度降低到 1.9×10-3Pa 时，通入高纯度工作气体控制电源，开始预溅射反应器内的钒靶，以此来去除其预溅射 30min 过后，打开另一个气体控制器以通入高使之与之前通入的氩气稳定在一个特定的比例。等到溅架上的挡板，并将所需的氧化钒膜沉积在衬底上。火：在上一步溅射完成之后，样品保留在原反应室内，度，然后通入预定好流量的反应气体高纯氧气，以完成退火。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ135.11

【参考文献】