VO2外延薄膜的相變調(diào)控研究.pdf

1、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系是當(dāng)前凝聚態(tài)物理中最突出的問題之一。二氧化釩(VO2)是一種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)過渡金屬氧化物，在室溫附近(68℃)會(huì)發(fā)生可逆金屬-絕緣相變，相變過程中伴隨著晶格結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué)、磁性的巨大變化。除了熱致相變，VO2在一定的電場、光場、應(yīng)力、載流子注入、元素?fù)诫s等多種外界條件下同樣能夠觸發(fā)金屬-絕緣轉(zhuǎn)變，且觸發(fā)條件與VO2本身的形貌、晶面取向、表面結(jié)構(gòu)和吸附等息息相關(guān)，這給VO2相變調(diào)控的研究提供了多重的實(shí)驗(yàn)路徑，展示出豐富的物理內(nèi)涵

2、。弄清VO2在相變過程中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和電子態(tài)變化之間的關(guān)系，以及電子-電子關(guān)聯(lián)在其中所起的作用，具有重要的理論價(jià)值。另一方面，接近室溫的臨界相變溫度和優(yōu)良的相變性質(zhì)，給VO2提供了廣闊的應(yīng)用前景，諸如智能窗、記憶存儲(chǔ)、場效應(yīng)晶體管、氣體傳感器等。
　　本論文的主要內(nèi)容和取得的成果如下:
　　(1)通過改進(jìn)分子束外延固態(tài)源的電子束蒸發(fā)槍，理論模擬了固態(tài)源和電子發(fā)射燈絲之間的電場分布和電子運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化了電子槍的構(gòu)型使得高能電子聚焦

3、于固態(tài)源的尖端一點(diǎn)，從而獲得了穩(wěn)定可靠、速率可控的原子/分子束流。在此基礎(chǔ)上，利用氧射頻-分子束外延設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上成功的制備了兩英寸大小的高質(zhì)量VO2薄膜，在TiO2，MgF2襯底上生長了應(yīng)力大小可控的異質(zhì)外延高取向VO2薄膜，具備優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)相變特質(zhì)。
　　(2)利用離子液體在二氧化釩單晶薄膜表面構(gòu)筑場效應(yīng)(FET)結(jié)構(gòu)，通過控制外加偏壓的大小和時(shí)間來調(diào)控其相變過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種相變過程的調(diào)控在宏觀尺寸二氧化釩薄膜樣

4、品中具有薄膜厚度上的依賴特征，調(diào)控過程本質(zhì)上源于在電場作用下，離子液在較強(qiáng)的界面電勢作用下逐漸奪取VO2中的氧原子的過程，晶格中形成的氧空位造成電子摻雜效應(yīng)，從而觸發(fā)VO2相變。通過對(duì)這一過程中VO2電學(xué)、光學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)異常變化的原位追蹤與分析，發(fā)現(xiàn)氧空位和與之相聯(lián)的金屬態(tài)VO2的形成是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行的，從空氣-薄膜界面到襯底-薄膜界面逐漸滲透的過程，且具有幾十納米的最大滲透深度。
　　(3)研究了氫摻雜對(duì)VO2相變的影響，通過控制

5、氫在VO2中的含量，可以可逆調(diào)控VO2的金屬-絕緣相變。少量氫摻雜會(huì)使VO2從絕緣M相轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝亟饘賾B(tài)H-VO2，進(jìn)一步提高氫摻雜濃度會(huì)使金屬態(tài)H-VO2轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝亟^緣態(tài)H-VO2，加熱釋放氫可使兩種H-VO2轉(zhuǎn)變回初始M相。M-VO2，金屬態(tài)H-VO2，絕緣態(tài)H-VO2是三種不同物相，通過改變VO2中H的濃度，就可使VO2在這三種物相之間互相可逆轉(zhuǎn)換，同時(shí)借助一系列原位表征手段研究了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué)的巨大變化。進(jìn)一步的，利用第一