VO2外延薄膜各向異性金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的調(diào)控研究.pdf

1、二氧化釩(VO2)因其接近于室溫（約68℃）的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變(MIT)，且轉(zhuǎn)變過程中光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的巨大變化而受到了廣泛關(guān)注。VO2的MIT起源于晶格、軌道和電荷等自由度之間耦合和競爭，這使其成為凝聚態(tài)物理中最重要的研究方向之一。且其MIT行為容易受到溫度、應(yīng)變、光照、電場、磁場等外場調(diào)制，所以VO2在節(jié)能、電子和智能材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別地，薄膜形態(tài)的VO2具有質(zhì)量優(yōu)異、穩(wěn)定性高以及相變重復(fù)性好，且容易和微機(jī)械、微加工技術(shù)

2、結(jié)合起來的優(yōu)勢。因而，薄膜形態(tài)的VO2為新型電、光子器件最佳的候選材料之一。但是，到目前為止，VO2的研究仍有很多未解決的問題。例如:高質(zhì)量的VO2薄膜的制備、薄膜應(yīng)變對于VO2 MIT的調(diào)制作用及其機(jī)制、微納尺度下VO2金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為及其機(jī)理等。針對這些問題，本論文利用磁控濺射技術(shù)在二氧化鈦(TiO2)襯底上制備了高質(zhì)量的VO2外延薄膜，并研究了外延應(yīng)變對MIT的調(diào)控過程。我們發(fā)現(xiàn)不同取向和厚度的VO2外延薄膜應(yīng)變不同，使得MI

3、T轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生了不同程度的偏移;同時(shí)，金屬相和絕緣相的共存和競爭導(dǎo)致MIT的轉(zhuǎn)變溫區(qū)變寬。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)了VO2外延薄膜MIT的各向異性行為，并探討了這種現(xiàn)象的機(jī)理:結(jié)構(gòu)疇的尺寸和取向決定了MIT各向異性的大小。
　　第一章首先回顧了VO2的特性及其應(yīng)用前景。VO2特性是:高量級、陡峭的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的熱致改變。該特性使VO2在節(jié)能、智能材料比如智能窗戶、紅外探測器、激光防護(hù)眼鏡等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。其次，本文主要研究

4、應(yīng)變對于VO2薄膜的MIT的調(diào)制，所以我們介紹了相關(guān)的物理背景知識，方便于理解接下來的工作。最后介紹了本論文的研究內(nèi)容和方法。
　　第二章主要介紹VO2外延薄膜的制備工藝。釩氧化物的多樣性使VO2外延薄膜制備條件十分苛刻。本章首先簡單介紹VO2薄膜的一些常見制備方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。緊接著詳細(xì)介紹了本論文使用的磁控濺射方法。高質(zhì)量的VO2外延薄膜樣品為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了重要基礎(chǔ)。
　　第三章主要介紹了VO2外延薄膜微結(jié)構(gòu)和性能的表征技

5、術(shù)。首先，本章詳細(xì)介紹了VO2外延薄膜的電學(xué)測試和晶體結(jié)構(gòu)表征技術(shù)。另外，我們通過光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）技術(shù)分析了樣品的成分信息。同時(shí)，利用同步輻射軟X-ray吸收譜（soft X-ray absorption，XAS）技術(shù)探究了VO2外延薄膜軌道變化;利用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)技術(shù)，表征了VO2外延薄膜表面的形貌信息。

6、>　　第四章主要研究了VO2外延薄膜金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的調(diào)控規(guī)律。首先，選擇不同取向襯底生長VO2外延薄膜，發(fā)現(xiàn)不同取向的VO2外延薄膜金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為極為不同（金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度等）;同時(shí)，發(fā)現(xiàn)(110)取向的VO2外延薄膜金屬絕緣體轉(zhuǎn)變比(001)和(011)取向的具有明顯的面內(nèi)各向異性。緊接著，我們選擇各向異性最大的VO2/(110)-TiO2外延薄膜，考察厚度對VO2外延薄膜金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)了金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為

7、發(fā)生了隨著厚度變化的規(guī)律性的改變。微結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明取向和厚度依賴的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為和VO2外延薄膜的疇結(jié)構(gòu)和應(yīng)變狀態(tài)密切相關(guān)。隨著取向的改變，VO2c軸張應(yīng)變的增加導(dǎo)致MIT轉(zhuǎn)變溫度的升高，同時(shí)疇結(jié)構(gòu)的尺寸的增大以及取向性導(dǎo)致金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的各向異性的增大;隨著薄膜厚度增加，(110)取向的VO2 c軸應(yīng)變發(fā)生弛豫，金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度降低;但是，金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的各向異性增大，這主要是由厚度依賴的疇尺寸和取向決定的。