掺氮氧化钒薄膜的制备与性能研究

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氧化钒是一种具有很多物理和化学特性的材料,可以被应用于众多领域。近年来,为了满足器件进步的需求,人们开始关注掺杂氧化钒的性质。目前关于氧化钒掺杂的研究主要集中在金属元素,非金属掺杂的研究很少,掺氮研究则未见报道。本文通过磁控反应溅射的方法,成功地制备出不同氮含量的掺N氧化钒薄膜。借助于SEM、AFM、XPS、XRD、台阶仪等分析和表征手段,对掺氮氧化钒薄膜进行了材料学表征,并用四探针仪、椭偏仪等测试手段对掺N对氧化钒薄膜的电学和光学性能的影响进行了研究。结果表明:与不掺氮氧化钒薄膜相比,掺氮氧化钒薄膜的生长过程、薄膜结构、薄膜电学性能和光学性能均发生了改变。论文的主要研究内容和创新点归纳如下:  1.通过在反应溅射过程中掺入不同流量的氮气,制备了不同氮含量的掺氮氧化钒薄膜,研究了掺N对氧化钒薄膜的生长机制、V元素的化学态的影响。掺N明显影响氧化钒薄膜的生长过程,降低了氧化钒薄膜的生长速率和薄膜的表面粗糙度,并使氧化钒薄膜出现取向生长机制。由于是常温下的薄膜沉积,未掺氮与掺氮氧化钒薄膜内部都未出现结晶情况。掺氮薄膜中N元素以占据O格点位置的替位N的形式存在。随着薄膜内N含量的增加,V3+离子在V离子中的浓度逐渐增加。  2.研究了掺N对氧化钒薄膜电阻率和电阻温度系数的影响。掺N导致氧化钒薄膜中出现V-N结构,进而影响了其电子结构,从而降低了氧化钒薄膜的电阻率,而且TCR值随着薄膜内氮含量的增加而降低。  3.借助于SE850椭偏仪,基于Tauc-Lorentz模型研究了掺N对氧化钒薄膜在近红外波段(1300nm~2300nm)的光学常数和薄膜厚度的影响。随着掺N量的增加,样品的光学常数(n, k)随之增加,而薄膜的沉积速率降低。这可能源于掺N使薄膜更致密,且使氧化钒的光学带隙减小。
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