二氧化钒(VO2)是一种热致相变型金属氧化物。341 K附近,VO2会在外部温场驱动下发生从高温金属相(金红石结构,R)到低温半导体相(单斜晶系结构,M)的转变(MIT),这种相变是可逆的,同时伴随着光学(特别是红外光波段)、电学和磁学性质的可逆突变。这些促使着人们对V02的制备工艺、物理性能(尤其是MIT特性、机理)和实际应用等方面产生浓厚兴趣,并进行广泛深入的研究。生长出原子级光滑表面、厚度从亚原子层到数十个原子层精确可控的单晶V02超薄薄膜是深入理解VO2金属-绝缘体相变(MIT)微观机理的基础。虽已研究多年,但至今仍没有高质量单晶V02超薄薄膜的报道。不同于通常在大气环境中对VO2进行的非原位实验研究,本论文首次利用集薄膜生长电子束蒸发技术(EBE)和原位表面分析表征手段(包括低能电子衍射-LEED,X射线光电子能谱-XPS及扫描隧道显微镜-STM)于一体的超高真空系统开展VO2薄膜生长及MIT特性的研究。主要研究内容和结果如下:1)在Si(100)清洁单晶衬底上,利用EBE法在不同的生长条件(衬底温度、氧压及束流)下制备了一系列氧化钒薄膜,研究了不同生长条件下氧化钒薄膜中钒价态的变化情况。结果表明,氧压升高,钒氧化物中钒价态越高;沉积速率(即束流)越低,钒原子与氧气结合越充分,也就越容易形成高价态的钒氧化物;衬底温度越低,越有利于V-O在衬底表面结合,亦越容易形成高价态的钒氧化物。2)采用EBE法在TiO2(110)清洁单晶衬底上制备VO2薄膜,研究了不同生长方式和不同沉积速率对VO2薄膜形貌的影响。实验结果表明,分步叠加生长1000 s获得的VO2薄膜表面比较粗糙,呈现一些杂乱无章的团簇;而一步生长1000s获得的VO2薄膜出现了一些链状有序结构,更利于获得外延的V02薄膜。当束流在20nA或者30 nA时均能获得高质量的外延VO2薄膜。3)利用XPS技术探测到变温时VO2薄膜MIT相变所导致的费米面附近电子态密度的变化。实验结果表明,在室温293 K时费米面以上没有电子态分布,因而属于绝缘态(或者说半导体态);而在380 K时费米面以上出现了电子态的分布,因而属于金属态。这种在费米面附近电子态密度的变化直接证明了 VO2薄膜在变温前后发生了 MIT相变,XPS成功捕捉到MIT相变过程。以上研究结果为今后原位探索VO2薄膜MIT相变微观机理以及确定VO2薄膜赝晶型生长临界厚度和探寻MIT相变尺寸效应等研究提供了良好的开端和工作基础。