氧化釩薄膜的光電特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、本論文基于氧化釩薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性從實驗和理論兩個方面展開了相關(guān)研究。在試驗上，論文主要圍繞氧化釩薄膜的制備、氧化釩薄膜在紅外探測器熱敏層的制備，以及在光開關(guān)和節(jié)能玻璃上的應(yīng)用展開的；同時圍繞氧化釩探測器的微橋熱絕緣結(jié)構(gòu)，采用多孔硅犧牲層來制作微橋結(jié)構(gòu)的紅外探測器；在理論上，主要是圍繞VO2薄膜相變機(jī)理探討和VO2薄膜熱滯回線運(yùn)行規(guī)律分析展開的。本論文的研究內(nèi)容具體包括以下幾個方面：
　　 (1)針對氧化釩薄膜在非致冷紅外焦

2、平面的應(yīng)用，開展了氧化釩熱敏薄膜的制備研究。通過優(yōu)化薄膜淀積工藝，用反應(yīng)離子束濺射和直流磁控濺射法制備了能滿足非致冷型紅外探測器熱敏層要求的薄膜。運(yùn)用場發(fā)射掃描電鏡(F-SEM)、X射線衍射(XRD)以及傅立葉分光光度計分析了薄膜的表面特征、晶體相成分和熱敏薄膜的紅外特性。采用反應(yīng)離子束濺射法和后退火工藝制備的熱敏氧化釩薄膜，在退火溫度為450℃，退火時間為60min時得到了TCR為-2.26%/℃和方塊電阻為31 kW/e的薄膜。采用

3、直流反應(yīng)磁控濺射法在210℃下可以一次性制備出熱敏性能滿足非致冷紅外焦平面所需的Vox薄膜。經(jīng)測試，該薄膜為VO2、V3O5和V2O3組成的混合相Vox薄膜。用磁控濺射法制備氧化釩薄膜方塊電阻為18.4kW/e、TCR值為-2.05%/℃、厚度約65nm。這與Honeywell研究中心報道的結(jié)論相接近。
　　 (2)為了深入了解氧化釩相變的起因，采用隨機(jī)阻抗網(wǎng)絡(luò)模型研究氧化釩薄膜電阻溫度特性。在模擬過程中，該薄膜被等效為一個由

4、半導(dǎo)體相和金屬相微粒隨機(jī)分布組成的復(fù)合系統(tǒng)。通過對參數(shù)賦值，計算結(jié)果與實際測量的電阻－溫度曲線在整個溫度變化范圍內(nèi)較為吻合。這一結(jié)果表明，氧化釩薄膜在溫度變化過程中發(fā)生金屬相微粒和半導(dǎo)體相微粒發(fā)生相分離，且半導(dǎo)體相微粒和金屬相微粒之間隨著溫度變化過程中的相互競爭的結(jié)果導(dǎo)致了氧化釩薄膜電阻在臨界溫度下的突變。因此，該模型進(jìn)一步說明了氧化釩多晶薄膜可以看成是由半導(dǎo)體相微粒和金屬相微?；旌舷嘟M成的，氧化釩薄膜的相變特性在一定程度上也可以通過該

5、模型得到合理的解釋。
　　 (3)為了理解氧化釩薄膜的熱滯回線運(yùn)行規(guī)律，采用Preisach模型研究了氧化釩薄膜的熱滯回線特性。由于經(jīng)典Preisach模型為分布于四個象限，且對稱的結(jié)構(gòu)。而VO2薄膜的熱滯回線僅僅分布在電阻-溫度特性的第一象限，為非對稱結(jié)構(gòu)。因此本論文采用針對低相變點(diǎn)納米VO2薄膜的電阻-溫度熱滯回線的特點(diǎn)，用Preisach對VO2薄膜的熱滯回線進(jìn)行建模。計算結(jié)果表明，本模型可以較好的模擬經(jīng)過一定溫度循環(huán)后

6、的氧化釩薄膜電阻輸出值，且能真實反應(yīng)氧化釩熱滯回線運(yùn)行軌跡的。
　　 (4)主要針對氧化釩薄膜電阻溫度特性的金屬-半導(dǎo)體相變特征，著重研究了氧化釩薄膜在節(jié)能玻璃和光開關(guān)這兩個方向應(yīng)用。在節(jié)能玻璃應(yīng)用上，在普通玻璃襯底上制備了低相變點(diǎn)氧化釩薄膜，并測量了該薄膜在紅外和可見光的透過特性。為了提高這兩種節(jié)能玻璃的可見光透過特性，采用Tfcale軟件模擬了減反射膜的厚度，并通過試驗驗證了二氧化硅薄膜具有增透的效果。在光開關(guān)應(yīng)用上，用納

7、米氧化釩薄膜作為光開關(guān)涂層，并測量了光開關(guān)的特性。經(jīng)測試，光開關(guān)的插入損耗約為-16dB。為了測量相變薄膜的響應(yīng)時間，采用ANSYS軟件模擬了激光加熱薄膜的熱效應(yīng)，并根據(jù)該模擬結(jié)果選擇合適的激光加熱功率。經(jīng)測試，該薄膜的響應(yīng)時間約為50.4ms。
　　 (5)氧化釩非致冷紅外探測器中的熱絕緣結(jié)構(gòu)對于提高紅外探測器的性能具有非常重要的意義。因此本論文采用多孔硅作為犧牲層，制作了128元氧化釩紅外探測器的微橋結(jié)構(gòu)，同時對多孔硅的生

8、長規(guī)律和特性做了較為深入的研究。為了將多孔硅犧牲層應(yīng)用到氧化釩非致冷探測器微橋中，采用雙反應(yīng)池法制備了多孔硅層。采用不同制備工藝，研究了多孔硅的表面形貌特征，并通過改變腐蝕時間和電流密度，研究了多孔硅犧牲層的厚度。由于多孔硅層中殘余應(yīng)力的存在會導(dǎo)致其表面開裂現(xiàn)象，因此采用拉曼光譜，分析了多孔硅層的應(yīng)力為負(fù)應(yīng)力。該測量方法為改善多孔硅的質(zhì)量提供了一種分析手段。最后，通過標(biāo)準(zhǔn)探測器制備工藝，將多孔硅結(jié)構(gòu)成功地應(yīng)用在氧化釩探測器的熱絕緣結(jié)構(gòu)中