硅基氧化钒薄膜的制备及其相变性能研究

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二氧化钒(VO2)由于其在热、电、光等触发条件下的金属-绝缘体转变(metal-to-insulator,MIT)而在过去几十年中得到了广泛的研究。MIT伴随着电学和光学特性的突然的和大的变化,这使得VO2成为电学、光学开关和调制应用的有巨大前途的材料。我们可以使用诸如热、光、电的外部激发来控制氧化钒膜的相变,使得VO2膜对远红外光呈现透射和不透射状态,实现对远红外光波的调制。为了促成VO2薄膜在远红外波段调制器件上的应用,VO2薄膜应满足以下三个方面的性能要求:(1)绝缘状态具有高的远红外线透射率;(2)较大的远红外调制幅度;(3)较窄的滞回宽度。在满足这三个条件的前提下,可以使器件具有好的稳定性和可靠性、高的响应率和效率。与热致相变驱动的调制器件相比,电致相变驱动的调制器件能够与高速电子系统更好的兼容,研究VO2薄膜的电致相变特性也很重要。本论文在分析国内外研究现状基础上,为了制备良好远红外调制性能的VO2薄膜,做了以下的工作:(1)使用原子层沉积技术(Atomic layer deposition,ALD)在高阻Si衬底上制备了氧化铝(Al2O3)薄膜作为生长VO2薄膜的缓冲层,Al2O3缓冲层的引入对氧化钒膜的热致相变特性有很大影响。实验结果表明:在Al2O3缓冲层厚度为40nm,VO2薄膜厚度为300nm时,与300nm厚无缓冲层的VO2薄膜相比,390 cm-1处的调制幅度由51.2%提升到71.3%,在280 cm-1处的调至幅度由18.0%提升到40.2%,而热滞回线宽度从18.5oC降至11.8oC,增强了VO2薄膜的相变特性。(2)深入研究Al2O3缓冲层对于VO2薄膜的影响,研究了不同厚度Al2O3缓冲层对于VO2薄膜的影响以及相同缓冲层厚度条件下不同VO2薄膜厚度对于相变特性的影响。实验结果表明,Al2O3缓冲层厚度越厚,对VO2薄膜相变性能的优化越明显,而相同厚度Al2O3缓冲层条件下,且VO2薄膜厚度在一定区间内时,厚度越薄,其相变性能越好,表明缓冲层对于VO2薄膜的优化随着薄膜厚度的增加而减弱。(3)在ITO导电玻璃上制备VO2薄膜,以ITO为底电极,研究VO2薄膜在垂直方向上的电致相变特性。实验结果表明,VO2薄膜的厚度影响着其电致相变的性能,同时其电致相变性能的变化趋势与其热致相变性能及结晶情况密切相关。
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