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氧化钒薄膜金属—绝缘体相变特性研究

作　者: 逯家宁
导　师: 胡明
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 氧化钒薄膜 金属-绝缘体相变 离子束溅射 直流对靶磁控溅射
分类号: O414.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 83次
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内容摘要


本文采用两种制备方法在Si3N4基底上制备得到具有金属-绝缘体相变特性的氧化钒薄膜,即:一、离子束溅射高价非稳态氧化钒薄膜和还原热处理制备;二、直流对靶磁控溅射氧化钒薄膜和真空热处理制备。通过实验获得第一种方法的最佳制备工艺参数为:氧气比例:16.34%,进气流量为22SCCM,基底温度为室温,溅射压强5×10-2Pa,溅射功率88W,溅射时间20min,热处理温度400°C,保温时间2h。采用AFM、XPS、XRD等仪器对薄膜的表面形貌、结构成分、结晶取向等进行了分析。用FT-IR、万用表和加热器等设备对薄膜进行热致相变研究获得了薄膜电阻随温度变化关系曲线和薄膜红外透过率随温度变化曲线。这些曲线都证明了薄膜具有金属-绝缘体相变特性,其相变温度为59°C,相变幅度超过两个数量级。还进行了薄膜光致相变特性的初步研究,证明了薄膜在特定波长的激光照射下通过改变光功率值可以得到氧化钒薄膜的相变特性。通过实验获得第二种方法的最佳制备工艺参数为:本体真空5.0×10-4Pa,氩气与氧气的比例为48:0.8,基底温度为室温,溅射压强为2.0Pa,溅射功率为210W,溅射时间为30min,热处理温度600°C,保温时间3小时。并对热处理前后氧化钒薄膜样品分别采用了SEM分析表面形貌和晶粒尺寸,XPS分析结构成分,XRD分析结晶状态。通过控温装置和电阻测试装置测定并绘制了薄膜样品的电阻随温度变化关系曲线。发现经热处理后氧化钒薄膜出现了金属-绝缘体相变特性,相变温度约为55°C,相变幅度接近两个数量级。并综合各项分析测试讨论了原因。通过分别对两种制备方式热处理前后氧化钒薄膜的分析研究发现,氧化钒薄膜内出现的VO2(M)的含量越高,相变特性越明显,相变时,电阻值的变化幅度就越大,同时相变时的相变温度范围越窄。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 氧化钒材料应用背景介绍  8-12
  1.2 国内外光开关研究现状及氧化钒薄膜应用于光开关器件的优势  12-13
  1.3 本论文的课题背景、研究目的和意义  13-14
第二章 氧化钒的结构、性能、制备及研究方法  14-34
  2.1 氧化钒的物理化学性质  14-20
    2.1.1 钒氧化物体系的基本物理、化学性质  14-15
    2.1.2 二氧化钒的物理化学性质  15-17
    2.1.3 五氧化二钒的物理化学性质  17-18
    2.1.4 三氧化二钒的物理化学性质  18-19
    2.1.5 氧化钒的热敏性能  19-20
  2.2 钒氧化物体系的相变机理及二氧化钒薄膜相变性能研究  20-25
  2.3 氧化钒薄膜制备方法  25-30
    2.3.1 真空技术  25-26
    2.3.2 真空蒸发镀膜法  26-27
    2.3.3 溅射镀膜法（包括直流对靶磁控溅射镀膜法和双离子束溅射镀膜法）  27-28
    2.3.4 溶胶—凝胶法（Sol-Gel）  28-29
    2.3.5 液相沉积法和热分解法  29
    2.3.6 脉冲激光沉积法  29-30
  2.4 氧化钒薄膜的分析与表征手段  30-34
    2.4.1 X 射线衍射法（XRD）  30-31
    2.4.2 X 射线光电子能谱法（XPS）  31-32
    2.4.3 扫描电子显微镜法（SEM）和原子力显微镜法（AFM）  32
    2.4.4 傅里叶红外光谱法（FT-IR Spectrometer）  32-34
第三章 双离子束溅射氧化钒薄膜的研究  34-49
  3.1 氧化钒薄膜的分析与表征手段  34
  3.2 实验的主要装置及实验准备  34-38
    3.2.1 基底制备与清洗  34-35
    3.2.2 离子束溅射  35-37
    3.2.3 热处理设备  37-38
  3.3 相变二氧化钒薄膜的制备  38-41
    3.3.1 用DIBSD 方法制备氧化钒薄膜  38-40
    3.3.2 氧化钒薄膜的热处理  40-41
  3.4 结果分析及表征  41-45
  3.5 相变特性及光开关性能研究  45-48
  3.6 本章小结  48-49
第四章 直流对靶磁控溅射制备相变氧化钒薄膜的研究  49-59
  4.1 制备方案  49
  4.2 具有相变特性的氧化钒薄膜的制备方法  49-52
    4.2.1 氧化钒薄膜的制备  50-51
    4.2.2 氧化钒薄膜的热处理  51-52
  4.3 结果分析及表征  52-56
  4.4 相变特性研究  56-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章 全文总结及展望  59-61
  5.1 全文总结  59-60
  5.2 本文创新点  60
  5.3 本研究局限性和今后的工作展望  60-61
参考文献  61-67
发表论文和参加科研情况说明  67-68
致谢  68

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 理论物理学 > 热力学与统计物理学 > 热力学 > 相变
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