【摘 要】
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二氧化钒（VO2）作为一种相变材料,因其接近室温的金属-绝缘体转变温度而受到了较多关注。研究者们利用VO2相变前后悬殊的电导率和近红外光透射率,发掘出其在场效应晶体管、智能窗涂层等众多光电半导体器件领域的应用潜力。然而,相对室温较高的相变温度却一直是阻碍该材料得到实际应用的首要问题。离子掺杂被证明能有效调控相变温度,但同时会损害相变的陡度。本课题选用氧化铝（Al2O3）作为衬底,掺铝氧化锌（Alu
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二氧化钒（VO2）作为一种相变材料,因其接近室温的金属-绝缘体转变温度而受到了较多关注。研究者们利用VO2相变前后悬殊的电导率和近红外光透射率,发掘出其在场效应晶体管、智能窗涂层等众多光电半导体器件领域的应用潜力。然而,相对室温较高的相变温度却一直是阻碍该材料得到实际应用的首要问题。离子掺杂被证明能有效调控相变温度,但同时会损害相变的陡度。本课题选用氧化铝（Al2O3）作为衬底,掺铝氧化锌（Aluminum doped zinc oxide,AZO）作为缓冲层或覆盖层,通过脉冲激光沉积技术（Pulsed laser deposition,PLD）进行薄膜制备,试图探究另一种调控方式——界面应力对VO2薄膜相变性能与光开关特性的调控效果与机制,并探究其在光波导开关领域的应用前景。本课题采用压片-烧结方法,通过降低烧结温度和时长制备得到了具有较大等离子体产量的纯五氧化二钒（V2O5）靶材以及铝（Al）元素梯度掺杂的AZO靶材。通过PLD技术进行了VO2与AZO外延薄膜制备,探究了沉积温度、氧压和退火工艺对AZO与VO2薄膜质量的影响。通过工艺优化,本课题分别在250℃和350℃下获得了AZO和VO2薄膜的低温制备工艺。本课题探究了不同掺杂剂量的AZO缓冲层或覆盖层的引入对VO2薄膜相变性能的影响。在设计制备的VO2/AZO/Al2O3薄膜结构中发现,450℃、30 min的沉积过程下,VO2与AZO发生了显著的层间互扩散现象,该现象导致了VO2结晶性的劣化以及相变特性的消失,从而难以在350℃～550℃温区进行制备。在AZO/VO2/Al2O3薄膜结构中,互扩散现象得到了有效抑制。当VO2膜层厚度过薄时,AZO/VO2/Al2O3结构的光学相变特性消失;而当VO2膜层较厚时,相变特性得到恢复,且AZO层的覆盖使相变温度由76.6℃下降至49.6℃,然而相变幅度与相变陡峭程度均发生劣化。AZO层的覆盖使VO2在b轴方向上受到拉应变,导致了相变温度的降低,Al元素的掺入使ZnO晶格显著收缩,然而VO2相变性能并未随AZO中Al元素掺杂剂量表现出明显变化规律。改变覆盖层厚度之下,随ZnO膜厚增大,VO2相变温度迅速由76.6℃减小至46.6℃,其他相变参数同步发生变化;当ZnO进一步增厚达到临界值后,各参数达到稳定。该过程中,VO2在b轴方向上所受拉应力相对应地快速增大并饱和,表明VO2相变性能的变化源自于ZnO/VO2界面应力的调控。金红石相VO2消光系数随ZnO层厚度增大而先增大后饱和,表明ZnO的覆盖破坏了VO2的光开关特性。
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