氧化釩功能薄膜集成生長與器件基礎(chǔ)研究.pdf

1、近年來，具有特殊金屬-絕緣轉(zhuǎn)變特性的氧化釩功能材料，特別是能夠在室溫附近觸發(fā)該轉(zhuǎn)變的二氧化釩(VO2)材料，受到了廣泛的關(guān)注，并在微電子、光電子及傳感器方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。由于釩元素具有+2、+3、+4、+5多個(gè)化學(xué)價(jià)態(tài)且形成的氧化物相圖十分復(fù)雜，制備純相高質(zhì)量外延二氧化釩薄膜目前仍然是國際上巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，尋求一種簡單的方法實(shí)現(xiàn)價(jià)態(tài)可控的氧化釩薄膜沉積，并實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)量外延生長，是開發(fā)新型氧化釩功能器件的必要前提。

2、　　從物理本質(zhì)上講，氧化釩功能器件都是基于其金屬-絕緣轉(zhuǎn)變的特性，通過調(diào)控氧化釩薄膜的微結(jié)構(gòu)和應(yīng)變狀態(tài)來改變薄膜物理性能是實(shí)現(xiàn)氧化釩薄膜器件應(yīng)用的重要途徑。此外，通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成其他類型的功能材料來構(gòu)筑新型器件，并由VO2相變產(chǎn)生的應(yīng)變對集成材料性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)耦合效應(yīng)，是設(shè)計(jì)和開發(fā)新型功能薄膜器件的新思路。控制VO2與其他功能材料的界面則成為能否實(shí)現(xiàn)其耦合效應(yīng)的關(guān)鍵。
　　針對以上問題，本論文分別采用新興的化學(xué)溶液方法—高

3、分子輔助沉積法和物理脈沖激光沉積法制備了高質(zhì)量外延的氧化釩功能薄膜，根據(jù)氧化釩薄膜與基片的不同晶體對稱結(jié)構(gòu)，通過4種不同的生長匹配方式，實(shí)現(xiàn)了對氧化釩薄膜金屬絕緣性能的調(diào)制，并系統(tǒng)研究了其應(yīng)變弛豫的方式與物理性能之間的關(guān)聯(lián)性。在此基礎(chǔ)上，將VO2薄膜與磁致伸縮材料CoFe2O4實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)集成生長，并對該原型器件進(jìn)行了耦合效應(yīng)的表征。
　　在使用高分子輔助沉積技術(shù)的薄膜生長研究中，基于對薄膜生長熱力學(xué)行為的理論分析，通過對燒結(jié)過程中

4、氣氛的控制，實(shí)現(xiàn)了氧化釩薄膜的價(jià)態(tài)可控的生長，在藍(lán)寶石(0001)基底上制備了純相的V2O3、V4O7、VO2和V2O5薄膜，V2O3和VO2薄膜都與藍(lán)寶石基底形成了良好匹配的外延生長。這兩類薄膜都表現(xiàn)出了良好的金屬絕緣轉(zhuǎn)變特性：V2O3薄膜的升溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)在158 K，降溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)在130 K；VO2薄膜的升溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)在341 K,降溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)在336 K。微結(jié)構(gòu)表征和分析表明，薄膜金屬-絕緣轉(zhuǎn)變的寬度與外延薄膜的應(yīng)變存在密切的關(guān)系。
　

5、　為了進(jìn)一步研究薄膜微結(jié)構(gòu)與相變過程的關(guān)系，采用變溫拉曼技術(shù)對用高分子輔助沉積法制備的不同厚度VO2外延薄膜進(jìn)行表征，在較厚（約150 nm）的樣品中能夠明顯觀察到結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中中間相M2相的生成和演化，而在較?。s90 nm）的樣品中這樣的現(xiàn)象則不明顯，通過高分辨X射線衍射獲得的微結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，這兩個(gè)樣品之間沒有明顯的應(yīng)變差異，但在較厚的薄膜中，位錯(cuò)密度高于較薄的樣品，從而表明位錯(cuò)促進(jìn)了VO2薄膜轉(zhuǎn)變過程中M2相的形成。
　

6、　另一方面，使用脈沖激光沉積方法在藍(lán)寶石(0001)基片上制備了具有高表面平整度的外延VO2薄膜，根據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)域模型，通過工藝優(yōu)化，使薄膜表面均方根粗糙度從30 nm左右降低到6.81 nm，為進(jìn)一步集成生長高質(zhì)量功能薄膜打下了基礎(chǔ)。
　　采用相同的工藝，利用面內(nèi)晶格常數(shù)各向異性的藍(lán)寶石(11-20)基片，通過高質(zhì)量的外延生長，獲得了具有面內(nèi)各向異性特性的VO2外延薄膜。輸運(yùn)測試結(jié)果表明，在185 nm厚度的樣品中，在薄膜的面內(nèi)觀察

7、到兩個(gè)取向的金屬絕緣轉(zhuǎn)變過程具有各向異性，即沿著藍(lán)寶石[0001]取向能觀察到兩個(gè)金屬絕緣轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，而沿著[10-10]取向僅能明顯觀察到一個(gè)臨界點(diǎn)。隨著厚度的減薄，這種效應(yīng)逐漸消失，在30 nm的樣品中在面內(nèi)兩個(gè)取向上都僅能觀察到一個(gè)轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)。由此提出了由薄膜與基片之間的晶格匹配關(guān)系誘發(fā)的面內(nèi)取向上不同應(yīng)變弛豫方式而引起上述各向異性的可能物理模型。
　　在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量外延生長VO2薄膜的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步集成生長了磁致伸縮CoF