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氧化钒薄膜的掺杂及电阻突变特性研究

作　者: 赵力丁
导　师: 吴志明
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: VO2薄膜锆铬掺杂
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 244次
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内容摘要

VO2是一种相变型金属氧化物,随温度的升高,在相变温度（Tc=68℃）发生从低温单斜结构向高温四方金红石结构的转变,同时,伴随着电阻率和红外光透过率的突变。这一特有的性质使VO₂在众多领域具有好的应用前景。从上世纪八十年代开始的对VO₂的掺杂研究表明:掺杂能明显改变VO₂薄膜的相变温度,进而影响其光电性能。因为VO₂的应用中绝大多数都要求其相变温度接近室温,所以是否可以通过掺杂手段使其相变温度降至室温附近,并使掺杂薄膜的性能发生有利于应用要求的相应变化是近来VO₂薄膜掺杂改性的研究主题。针对VO₂薄膜的研究发展动向和实践的需要,本论文主要在掺入不同价态的过渡金属杂质(Zr4+以及Cr³⁺对VO₂薄膜性能产生的影响等方面进行了基础研究。具体而言,本论文从事的主要工作如下:（1）本文首先利用无机溶胶-凝胶法制备了含有4价锆的VO₂薄膜,通过改变掺杂浓度,测定了在不同掺杂浓度下VO₂薄膜的电阻-温度关系曲线。在此基础上,本文进一步探讨了掺杂浓度与VO₂薄膜相变温度、电阻突变数量级以及热滞宽度的关系。实验结果表明:随Zr含量的增加,VO₂薄膜的半导体-金属转变温度和电阻突变数量级呈线性下降,同时,随掺杂量的增加,VO₂薄膜的热滞宽度的变化规律是先减小后增大。（2）本文以掺锆为例,探讨了不同的真空退火温度对VO₂薄膜的相变温度、电阻突变数量级以及热滞宽度有何影响。通过对比不同退火温度下的测试结果可知:经450℃退火后的掺杂VO₂薄膜与其它退火温度所得的VO₂薄膜相比,具有较低的相变温度以及较为明显的电阻突变数量级。因此,在350～500℃之间,VO₂薄膜的最佳退火温度为450℃。（3）最后,本文采用无机溶胶-凝胶法制备了含有3价铬的VO₂薄膜,研究了其掺杂量与电阻突变特性的关系。经测试发现,在开始阶段,随Cr³⁺浓度地增加,VO₂薄膜的相变温度降低,当Cr³⁺浓度达到一定值之后,其相变温度随浓度地升高而迅速上升。同时,VO₂薄膜的电阻突变量随Cr³⁺浓度地增加而减小。而热滞宽度的变化规律是先增大后减小。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章引言  10-26
  1.1 研究背景  10
  1.2 VO_2 的晶体结构、相变特性及典型性质  10-15
    1.2.1 VO_2 的晶体结构变化  10-12
      1.2.1.1 VO_2 的晶体结构  10-11
      1.2.1.2 VO_2 相变过程中晶体结构的变化  11-12
    1.2.2 VO_2 的能带结构变化  12-14
    1.2.3 VO_2 的典型性质  14-15
      1.2.3.1 VO_2 的光学性质  14-15
      1.2.3.2 VO_2 的电学性质  15
      1.2.3.3 其它  15
  1.3 二氧化钒的应用前景  15-17
  1.4 VO_2 薄膜制备及其电学光学性质突变研究综述  17-19
  1.5 VO_2 薄膜主要制备方法简介及其比较  19-22
    1.5.1 真空蒸镀法  19-20
    1.5.2 溅射法  20
    1.5.3 化学气相沉积法（CVD 法）  20-21
    1.5.4 Sol-Gel 法  21-22
      1.5.4.1 水溶液 Sol-Gel 法  21-22
      1.5.4.2 醇盐 Sol-Gel 法  22
  1.6 掺杂VO_2 的研究进展  22-24
    1.6.1 掺杂对相变的影响  22-23
    1.6.2 掺杂VO_2 的制备方法  23-24
      1.6.2.1 液相混合掺杂法  23
      1.6.2.2 水热合成掺杂法  23
      1.6.2.3 溅射掺杂法  23-24
      1.6.2.4 金属有机化合物气相沉积掺杂法  24
  1.7 研究目的及意义  24-26
第二章实验方法  26-32
  2.1 薄膜制备过程  26-28
    2.1.1 掺杂氧化钒溶胶的制备  27
    2.1.2 Si 基片的处理  27
    2.1.3 旋涂  27-28
  2.2 仪器和试剂  28-29
    2.2.1 仪器  28-29
    2.2.2 主要试剂  29
  2.3 二氧化钒薄膜电学性能测试  29-30
  2.4 二氧化钒薄膜成分及结构分析  30
    2.4.1 X 射线光电子能谱  30
      2.4.1.1 X-射线光电子能谱的基本原理  30
      2.4.1.2 化学位移及结合能  30
    2.2.4 X-射线衍射  30
  2.5 小结  30-32
第三章掺锆VO_2薄膜的制备及特性研究  32-47
  3.1 引言  32
  3.2 实验方法  32-33
  3.3 实验结果与分析  33-38
    3.3.1 VO_2 相变薄膜的电阻突变特性确定方法  33-34
    3.3.2 Zr(NO_3)_4·5H_20 的掺杂量对VO_2 电学性能的影响（450℃真空退火)  34-38
  3.4 掺Zr(NO_3)_4·5H_20（2wt%）VO_2 薄膜的表征  38-40
    3.4.1 掺杂VO_2 薄膜的XRD 分析  38-39
    3.4.2 掺杂VO_2 薄膜的XPS 分析  39-40
  3.5 退火温度对VO_2 薄膜相变的影响  40-43
    3.5.1 实验方法  40
    3.5.2 实验结果及分析  40-43
  3.6 杂质Zr 元素原子结构及其在VO_2 薄膜中存在形态分析  43-44
    3.6.1 Zr 元素的原子结构  43-44
    3.6.2 杂质在VO_2 薄膜中的存在形态分析  44
  3.7 掺杂后VO_2 薄膜的键长理论计算及其对相变温度的影响  44-46
  3.8 掺杂后VO_2 薄膜的电阻数量级突变  46
  3.9 小结  46-47
第四章掺铬VO_2薄膜的制备及特性研究  47-54
  4.1 实验方法  47
  4.2 实验结果及分析  47-50
  4.3 掺杂VO_2 薄膜的XRD 分析  50-51
  4.4 杂质Cr 元素原子结构及其在VO_2 薄膜中存在形态分析  51-52
    4.4.1 Cr 元素的原子结构  51-52
    4.4.2 杂质在VO_2 薄膜中的存在形态分析  52
  4.5 掺杂后VO_2 薄膜的相变温度的变化  52-53
  4.6 掺杂后VO_2 薄膜电阻数量级突变的变化  53
  4.7 小结  53-54
第五章结论与展望  54-56
  5.1 结论  54
  5.2 展望  54-56
参考文献  56-61
致谢  61-62
个人简历  62
攻读硕士学位期间发表的论文  62

氧化钒薄膜的掺杂及电阻突变特性研究

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