氧化釩薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)與特性研究.pdf

1、氧化釩一般以混合價(jià)態(tài)形式存在，常見(jiàn)的釩氧化物都具有金屬一半導(dǎo)體相交的轉(zhuǎn)化特性。氧化釩薄膜具有良好的熱敏特性，在紅外探測(cè)和熱成像應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?本論文以氧化釩薄膜為研究對(duì)象，采用直流磁控濺射法制備氧化釩熱敏薄膜，對(duì)氧化釩薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)、及其特性進(jìn)行相關(guān)研究。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了充分利用X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)等技術(shù)對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征表

2、征外，重點(diǎn)研究了氧化釩薄膜的方阻以及方阻隨溫度的變化特性，即薄膜的熱敏性能。此外對(duì)氧化釩薄膜的折射率、消光系數(shù)也進(jìn)行了探討。論文主要包括以下六方面內(nèi)容： (1)氧化釩薄膜的微觀結(jié)構(gòu)是影響薄膜性能的重要因素。論文首先運(yùn)用XPS、XRD、SEM、AFM等多種分析手段，對(duì)薄膜的成份、價(jià)態(tài)以及薄膜的晶態(tài)與形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較詳細(xì)的分析，以期對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的直流反應(yīng)磁控濺射法制備的氧化釩薄膜的微觀特征有所了解，從而有助于確定氧化釩薄膜生長(zhǎng)工藝的優(yōu)

3、化。 (2)在氧化釩薄膜生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化中，論文首先系統(tǒng)研究了直流反應(yīng)磁控濺射氧化釩薄膜過(guò)程中不同工作氣體(Ar)流量、不同反應(yīng)氣體(O2)流量、以及不同比例的Ar/O2混合氣體條件下薄膜沉積速率和濺射電壓的變化，從而提出了一種新的監(jiān)控氧化釩薄膜生長(zhǎng)、控制氧化釩薄膜性能的方法——濺射電壓控制法。采用濺射電壓控制法，通過(guò)監(jiān)控濺射電壓的變化，適時(shí)調(diào)整濺射過(guò)程中的氣體流量，可以有效提高薄膜制備工藝的重復(fù)性和可控性，對(duì)提高薄膜性能的穩(wěn)定性

4、和可重復(fù)性有重要的作用。采用此法在不同的濺射電壓下制備了氧化釩薄膜，對(duì)這些薄膜的性能做了分析和比較。當(dāng)濺射電壓選擇在(304～318)V時(shí)，薄膜方阻值可控制在(30～150)KΩ/□，薄膜的方阻溫度系數(shù)在-4％/℃～-5％/℃，生長(zhǎng)的氧化釩薄膜相應(yīng)的O/V比在1.91～2.13。 (3)對(duì)氧化釩薄膜在Si基片、玻璃基片、Si3N4/Si基片等襯底上的生長(zhǎng)模式和織構(gòu)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同的襯底上生長(zhǎng)的氧化釩的生長(zhǎng)模式和織構(gòu)存

5、在較大差異。Si3N4/Si襯底上生長(zhǎng)的氧化釩薄膜晶粒細(xì)小，薄膜較為平坦：而玻璃襯底和Si襯底上的晶粒較為粗大，薄膜的柱狀生長(zhǎng)較為明顯。氧化釩薄膜厚度的調(diào)整會(huì)明顯改變薄膜晶粒大小;薄膜的厚度和薄膜的晶粒尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致薄膜電性能的很大變化。對(duì)不同襯底上生長(zhǎng)的80nm、440nm、1000nm厚的氧化釩薄膜研究后發(fā)現(xiàn)，隨著薄膜厚度的增加，薄膜的晶粒尺寸明顯增加；不同襯底上生長(zhǎng)的二氧化釩薄膜晶粒都呈現(xiàn)一種比較規(guī)則的“紡錘”形或“棒”形，晶粒

6、的尺寸也具有一定的變化規(guī)律；薄膜的方阻隨著薄膜厚度和薄膜晶粒的增大而減??；同時(shí)，隨著薄膜厚度和薄膜晶粒的增大，薄膜的半導(dǎo)體一金屬相變也逐漸趨于明顯。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，襯底是影響氧化釩薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的重要因素之一。 (4)對(duì)不同厚度的氧化釩薄膜，進(jìn)一步研究了薄膜的光、電性能，發(fā)現(xiàn)薄膜厚度對(duì)薄膜的折射率和消光系數(shù)有較大影響。采用Preisach等理論模型對(duì)VO2薄膜非對(duì)稱(chēng)的熱滯回線(xiàn)做了分析，確定了氧化釩薄膜的阻值與外加溫度以及溫度變化導(dǎo)

7、致的晶粒體積的變化密切相關(guān)。 (5)嘗試采用了在純氬氣氛中直流磁控濺射V2O5靶材沉積氧化釩薄膜。對(duì)沉積的薄膜進(jìn)行了后續(xù)高真空高溫退火處理。利用XRD對(duì)薄膜的晶相進(jìn)行了分析，結(jié)果表明退火處理前和退火處理后的薄膜都具有VO2晶面的取向，薄膜的XPS成份分析證明了XRD的物相分析結(jié)果。對(duì)薄膜的XRD分析和薄膜方阻特性的測(cè)試表明生成的薄膜是典型的VO2(B)薄膜。在此基礎(chǔ)上，利用薄膜晶界散射理論，通過(guò)改變薄膜厚度和晶粒大小對(duì)薄膜的方阻