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空气氧化法制备VO_2及掺钨氧化钒薄膜的研究

作　者: 刘洋
导　师: 徐晓峰
学　校: 东华大学
专　业: 等离子体物理
关键词: VO2薄膜大气环境氧化掺杂工艺
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

VO₂是一种相变型氧化物,具有金属一半导体转变的相变特性,其相变时具有电学和光学突变性质,这一特性使VO₂薄膜在众多领域,如自动调节温度的智能窗、激光防护薄膜、红外探测仪、光学数据存储材料等具有好的应用前景。钒可以处于相邻的价态且价态多达十几种,这使得VO₂薄膜的制备对工艺要求比较苛刻,以目前的制备手段来看,VO₂的应用仅仅局限于少数领域,并且成本昂贵。因此,如何进一步降低其工艺难度和制备成本是人们所关心的。纯VO₂的相变温度点位于68℃附近,这个温度点略高于室温,也局限了它的应用范围。大量研究表明,通过掺杂手段可以降低其相变温度点,因此,在发展VO₂制备工艺的时候,人们也会关心这种工艺是否能适用于掺杂。本文利用空气对金属钒薄膜进行氧化,通过控制温度和氧化时间,制备出了高纯度VO₂薄膜。同时为了证明这种制备工艺对掺杂有效,我们用金属钨对薄膜进行掺杂实验,获得了较好的效果,同时通过分析得出了一些有意义的掺杂手段。第二章主要讨论了在重复传统溅射法实验时遇到的问题,并提出本文的技术路线。第三章主要介绍空气氧化法制备VO₂薄膜,分析了其氧化过程,寻求到了适合制备VO₂薄膜的氧化温度范围,并介绍了如何控制氧化时间。另外,对金属钒薄膜的致密度如何影响VO₂薄膜的性能做了些研究。第四章主要介绍掺钨实验,在金属钒薄膜中加入单层钨膜制备出钨钒合金膜,然后通过氧化使钨原子在薄膜中进行热扩散,从而达到掺杂目的。通过分析单层杂质膜对掺杂量的局限性,提出了利用多层杂质膜的手段来提高掺杂量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章引言  11-24
  1.1 研究背景  11
  1.2 VO_2的晶体结构和相变特性  11-18
    1.2.1 VO_2晶体结构与能带结构  12-15
    1.2.2 VO_2的相变性质  15-17
    1.2.3 应用前景  17-18
  1.3 VO_2主要制备方法及比较  18-21
    1.3.1 蒸发法  19
    1.3.2 溅射法  19-20
    1.3.3 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)  20
    1.3.4 金属-有机化学气相沉积(MOCVD)  20
    1.3.5 脉冲激光沉积(PLD)  20-21
  1.4 VO_2的掺杂理论和掺杂方法  21-24
    1.4.1 掺杂理论  21-22
    1.4.2 掺杂方法  22-24
第二章本文研究的主要出发点和技术路线  24-27
  2.1 空气氧化法制备VO_2薄膜  25
  2.2 基于空气氧化法的VO_2薄膜掺杂  25-27
第三章空气氧化法制备VO_2薄膜  27-52
  3.1 实验仪器  27-31
    3.1.1 磁控溅射镀膜仪  27-29
    3.1.2 箱式电阻炉  29-30
    3.1.3 电学测试平台  30-31
  3.2 实验  31-32
    3.2.1 镀膜前的准备工作  31-32
    3.2.2 金属钒薄膜的制备  32
    3.2.3 金属钒薄膜的氧化  32
    3.2.4 薄膜性质的表征  32
  3.3 结果与讨论  32-50
    3.3.1 金属钒薄膜的氧化过程  32-34
    3.3.2 氧化过程的XRD分析  34-37
    3.3.3 薄膜电阻随温度变化关系  37-38
    3.3.4 临界点的寻找  38-40
    3.3.5 薄膜氧化过程的模型分析  40-44
    3.3.6 金属钒薄膜的致密度  44-46
    3.3.7 薄膜相变温度点的分析  46-47
    3.3.8 薄膜热回滞曲线宽度的分析  47-50
    3.3.9 薄膜的颜色  50
  3.4 薄膜的电阻温度系数(TCR)  50
  3.5 本章小结  50-52
第四章基于空气氧化法制备VO_2薄膜的掺杂研究  52-60
  4.1 实验仪器  52
  4.2 实验步骤  52
  4.3 结果与讨论  52-59
    4.3.1 样品A  54-55
    4.3.2 样品B  55-56
    4.3.3 样品C  56-58
    4.3.4 样品D  58-59
    4.3.5 讨论  59
  4.4 小结  59-60
第五章结论与展望  60-62
  5.1 结论  60-61
  5.2 展望  61-62
参考文献  62-68
攻读硕士期间的研究成果  68-69
致谢  69

空气氧化法制备VO_2及掺钨氧化钒薄膜的研究

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