纳米二氧化钒薄膜的制备及红外光学性能

VO2

物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)

August[Article]

ActaPhys.-Chim.Sin.,2009,25(8)：1523-1529

1523

http://www.77cn.com.cn

纳米二氧化钒薄膜的制备及红外光学性能

梁继然1,*

胡

明1王晓东2李贵柯3季刘剑3吴南健3陈弘达4

300072;

2

安2杨富华2

(1天津大学电子信息工程学院,天津

34

中国科学院半导体研究所,半导体集成技术工程研究中心,北京100083;

100083;

中国科学院半导体研究所,半导体超晶格国家重点实验室,北京

中国科学院半导体研究所,集成光电子学国家重点实验室,北京100083)

摘要：采用双离子束溅射方法在Si3N4/SiO2/Si基底表面沉积氧化钒薄膜,在氮气气氛下热处理获得二氧化钒

薄膜.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)研究了热处理温度对氧化钒薄膜晶体结构、表面形貌和组分的影响,利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对二氧化钒薄膜的红外透射性能进行了测试分析.结果表明,所制备的氧化钒薄膜以非晶态V2O5和四方金红石结构VO2为主,经400℃、2h热处理后获得了(011)择优取向的单斜金红石结构纳米VO2薄膜,提高热处理温度至450℃,纳米结构VO2薄膜的晶粒尺寸减小.FT-IR结果显示，纳米VO2薄膜透射率对比因子超过0.99,高温关闭状态下透射率接近0.小晶粒尺寸纳米VO2薄膜更适合在热光开关器件领域应用.关键词：双离子束溅射;

纳米二氧化钒薄膜;

TB43

透射率

中图分类号：O648;O484;

FabricationandInfraredOpticalPropertiesofNanoVanadium

DioxideThinFilms

LIANGJi-Ran1,*

HUMing1WANGXiao-Dong2

LIUJian3WUNan-Jian3

LIGui-Ke3JIAn2

CHENHong-Da4

YANGFu-Hua2

2

(1SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,P.R.China;EngineeringResearchCenterforSemiconductorIntegratedTechnology,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,P.R.

3

China;StateKeyLaboratoryforSuperlatticesandMicrostructures,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,

Beijing100083,P.R.China;4StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,

ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,P.R.China)

Abstract：VanadiumdioxidethinfilmswerefabricatedbyionbeamsputteringonSi3N4/SiO2/Siafterapostreductiveannealingprocessinanitrogenatmosphere.X-rayDiffraction(XRD),scanningelectronmicroscope(SEM),andX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS)wereemployedtoanalyzetheeffectsofpostannealingtemperatureoncrystallinity,morphology,andcompositionofthevanadiumoxidethinfilms.TransmissionpropertiesofvanadiumdioxidethinfilmsweremeasuredbyFouriertransform-infrared(FT-IR)spectroscopy.Theresultsshowedthattheas-depositedvanadiumoxidethinfilmswerecomposedofnon-crystallineV2O5andatetragonalrutileVO2.Afterannealingat400℃for2h,themixedphasevanadiumoxide(VOx)thinfilmchangeditscompositionandstructureto

Received:January2,2009;Revised:March30,2009;PublishedonWeb:May22,2009.

Correspondingauthor.Email:liang_jiran@http://www.77cn.com.cn;Tel:+86-22-85809025,+86-15822692091.

TheprojectwassupportedbytheNationalHigh-TechResearchandDevelopmentProgramofChina(863)(2008AA031401),NationalNaturalScienceFoundationofChina(60771019),andTianjinKeyProgramofAppliedFoundationandAdvanced-TechResearch,China(08JCZDJC17500).国家高技术研究发展计划(863)项目(2008AA031401),国家自然科学基金(60771019),天津市应用基础及前沿技术研究重点项目(08JCZDJC17500)资助

鬁EditorialofficeofActaPhysico-ChimicaSinica

*

VO2

1524

ActaPhys.-Chim.Sin.,2009

Vol.25

VO2andhada(011)orientedmonoclinicrutilestructure.Whenincreasingthetemperatureto450℃,nanoVO2thinfilmswithsmallergrainswereobtained.FT-IRresultsshowedthatthetransmissioncontrastfactorofthenanoVO2thinfilmwasmorethan0.99andthetransmissionofsmallergrainnanoVO2thinfilmwasnearzeroatitsswitchedstate.NanoVO2thinfilmwithsmallergrainsisanidealmaterialforapplicationinopticalswitchingdevices.KeyWords：Dualionbeamsputtering;Nano-vanadiumdioxidethinfilm;Transmission

二氧化钒(VO2)薄膜在68℃附近具有热致半导体-金属相变特性[1,2],相变时,VO2由低温单斜金红石结构(半导体态)转变为高温四方金红石结构(金属态),伴随晶体结构的转变,VO2薄膜在红外光区域的光学透射性能发生可逆性突变,出现明显的开-关两种状态,是热光开关[3]和智能窗[4]等光学器件的理想光学功能材料.一直以来,VO2薄膜的制备、性能研究与应用受到研究者的普遍关注,已经在VO2薄膜的制备[5]、电学与光学性能的控制[6,7]等方面取得了重要成果.

用于制备VO2薄膜的方法有很多种,主要包括蒸发法[8]、溅射法[9-11]、脉冲激光法[12]、化学气相沉积法[13]和溶胶-凝胶法[14]等.采用溅射原理进行VO2薄膜制备的方法主要有磁控溅射法、射频溅射法和离子束溅射法.离子束溅射法不同于磁控溅射法和射频溅射法,其入射离子由离子源直接产生.溅射过程中,氧化钒薄膜没有处于等离子体区域,受气体原子、带电粒子和快速电子的影响较小[15,16],易于获得高质量的氧化钒薄膜.

VO2薄膜作为热光开关和智能窗器件的光学功能材料,应具备以下两个条件:(1)在半导体态具有高的透射率;(2)转换效率[17]高,即低温态和高温态之间转变时,透射率改变量大,与此同时VO2薄膜在高温关闭状态下还要具有低的透射率.研究中发现,通过优化VO2薄膜的制备工艺或添加增透膜可以有效提高半导体态VO2薄膜的透射率[18],其值可以超过90%[19].半导体态透射率的提高,使高、低稳态VO2薄膜光透过率的改变量也有所提高,超过50%[20].但是,在提高半导体态透射率和透射率改变量的同时,高温关闭状态下VO2薄膜的透射率一般较高,为5%-30%[21],高的高温态透射率使VO2薄膜的转换效率很难提高.因此,降低高温关闭状态下VO2薄膜的透射率成为薄膜应用中亟待解决的重要问题.

本文采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方法制备VO2薄膜,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)对氧化钒薄膜的晶体结

表面形貌、组分和红外透射性能进行了测试与分构、

析,研究了热处理温度对氧化钒薄膜的影响,获得了不同颗粒尺寸下VO2薄膜的红外光学透射率和对比因子.

1

1.1

实验

氧化钒薄膜的制备

首先采用等离子体增强化学气相沉积(英国STS公司MultiplexCVD)方法在清洗干净的单晶硅(Si)(100)基底(天津半导体所)表面沉积二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)缓冲层,然后将Si3N4/SiO2/Si基底放入OxfordOptolab3000型射频双离子束溅射镀膜装置(英国Oxford公司)中沉积氧化钒薄膜样品.以高纯金属钒靶(有研亿金新材料股份有限公司,纯度为99.99%)作为溅射源,靶材直径为200mm,靶与基底之间的距离为160mm …… 此处隐藏：12809字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……