氧化釩薄膜結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、二氧化釩(VO2)是一種具有熱致相變特性的金屬氧化物，隨著溫度降低，大約在68℃附近，發(fā)生從金屬到非金屬(或半導(dǎo)體)的性質(zhì)突變。由于相變溫度接近室溫，且相變前后光、電性能變化幅度較大，VO2在很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 近年來(lái)，薄膜VO2材料的研究有了飛速的發(fā)展，特別是在應(yīng)用方面，已成功應(yīng)用于太陽(yáng)能控制的智能窗、激光防護(hù)的保護(hù)膜和制造紅外成像的非制冷紅外焦平面陣列等。 本論文研究了采用兩種工藝方法制備VO2薄膜：一種是

2、在常溫下利用脈沖磁控反應(yīng)濺射沉積了高價(jià)態(tài)的氧化釩前驅(qū)薄膜，再通過(guò)真空熱處理制備了VO2薄膜；另一種是用射頻磁控反應(yīng)濺射沉積直接沉積VO2薄膜。對(duì)氧化釩薄膜從物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征、熱致相變特性、抗激光能力等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)深入的研究。所開(kāi)展的主要研究工作和所得到的研究結(jié)果有： (1)采用脈沖磁控濺射方法在常溫下制備出V2O5薄膜，然后在真空中熱處理還原制備出VO2薄膜。實(shí)驗(yàn)研究和分析表明，要得到高質(zhì)量的VO2薄膜，濺射制備時(shí)的

3、反應(yīng)氣體分壓，真空退火處理時(shí)的退火溫度與退火時(shí)間，以及退火的氣氛種類等是影響VO2薄膜結(jié)構(gòu)和成分以及相變特性的關(guān)鍵工藝參數(shù)。 (2)用X射線衍射、X射線光電子能譜、原子力顯微鏡等手段對(duì)脈沖磁控濺射結(jié)合真空退火制備的氧化釩薄膜的組分、晶相、表面形貌進(jìn)行了分析，測(cè)試了薄膜的相變特性、光學(xué)和電學(xué)特性及其變化規(guī)律。分析表明，薄膜中氧化釩的價(jià)態(tài)主要是混合價(jià)態(tài)，多種相共存。結(jié)構(gòu)為多晶，沒(méi)有明顯的取向生長(zhǎng)。通過(guò)優(yōu)化制備過(guò)程中的工藝參數(shù)，在襯底

4、溫度為500℃左右，氧分壓約為8％時(shí)，獲得了能夠滿足使用要求的VO2敏感薄膜。在紅外波段波數(shù)為2000cm-1處，光透過(guò)率從低溫態(tài)的到高溫態(tài)變化了35％，電阻變化最大達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)。 (3)用射頻磁控反應(yīng)濺射方法沉積了VO2紅外敏感薄膜。研究了薄膜的沉積速率、電阻率變化、光學(xué)透過(guò)率變化和相結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在480℃的襯底溫度下，當(dāng)反應(yīng)氣體流量比O2/Ar+O2低于5％時(shí)，薄膜中的主要成分為金屬釩；流量比處于6％～7.7％

5、之間時(shí)主要為V2O3、V2O3+VO2和低價(jià)氧化物；在7.8～8.5％時(shí)可以得到以VO2為主要相的薄膜；處于9％～10％之間主要為混合相；大于10％主要為V2O5相。在反應(yīng)氣體流量比為8.5％時(shí)，獲得了X射線衍射峰的半峰寬僅為0.18，衍射峰均為VO2相的薄膜。用X射線光電子能譜中V2p3/2特征峰峰位表征了氧化釩的相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)能夠用釩的V2p3/2峰位位移判定薄膜中相的組成。薄膜的微觀結(jié)構(gòu)呈多晶，晶粒排列致密，但相鄰晶界的晶向有所不同

6、，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)取向生長(zhǎng)現(xiàn)象。性能測(cè)試表明，在石英玻璃基底上制備的VO2熱致變色薄膜低溫(20℃)和高溫(80℃)下的透射光譜在紅外波段光透過(guò)率發(fā)生了明顯的變化。在波數(shù)為2000cm-1處，光透過(guò)率從低溫態(tài)的80％降低到高溫態(tài)的6.5％。變化了73％。電學(xué)性能從室溫到相變點(diǎn)變化達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)。電阻溫度系數(shù)為2.2％/℃，達(dá)到使用要求。 (4)對(duì)樣品進(jìn)行了抗激光損傷評(píng)價(jià)試驗(yàn)，證明了氧化釩薄膜抗激光能力與薄膜的成分、制備方法、激光實(shí)驗(yàn)方法