简单方法硅衬底上合成热滞回线几乎重合的二氧化钒

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二氧化钒(VO2)是一种强关联电子材料,在68℃附近会发生一个显著的绝缘态(单斜相)到金属态(金红石相)的超快速转变。伴随着这种可逆且稳定的相变的产生,VO2的诸多性质,包括电阻,光学透过率,红外和热学特性也会剧烈变化。有鉴于此,近年来VO2已经被广泛地研究和应用于光电子开关,智能窗,传感器和存储器等领域。为了满足特定功能器件的要求和探索更多新的可能性,许多方法已经被用来合成高质量VO2薄膜,包括分子束外延,脉冲激光沉积,原子层沉积和反应磁控溅射等。但遗憾的是,这些方法都不可避免地要面临设备昂贵,复杂的操作或较长的实验周期等问题,这些缺点严重地限制了VO2的实际应用。通常,当VO2被用作器件,尤其是作为传感器或者光电开关时,快速而精确的响应是至关重要的。然而,一个较宽的热滞回线宽度会直接限制其性能,这对于VO2基器件的应用是非常不利的。尽管掺杂是一种行之有效的方法来减少VO2的相变热滞回线宽度,例如钛掺杂,钨掺杂,硼掺杂等,但是掺杂浓度往往难以精准控制。此外,VO2的各种相变特性,包括相变数量级,相变温度,相变锐度和相变热滞回线宽度都已经被大量地研究。作为其中的代表性材料之一,二氧化钛(Ti O2)对VO2薄膜的所有相变特性都有相当程度的影响,并且这些研究已经日益成熟。然而,考虑到VO2基器件的大规模商业化应用,在二氧化硅/硅(Si O2/Si)或者硅(Si)衬底上制备满足需求的VO2薄膜是非常有意义的。相反的是,目前为止关于在Si O2/Si或者Si衬底上制备极窄相变热滞回线宽度的VO2薄膜的报道几乎很少被看到。此外,根据之前的实验结果,在Si O2/Si或者Si衬底上生长的VO2薄膜的热滞回线宽度一般不低于10℃。本文以一种简单可控的溅射氧化耦合法在Si衬底上成功地沉积了含Ti O2缓冲层的热滞回线几乎重合的VO2薄膜。其中,VO2和Ti O2的厚度分别为60 nm和100 nm。XRD测定结果显示,当缓冲层厚度增加到约60 nm时,金红石相Ti O2的峰位开始出现,它与VO2的晶格结构更加匹配,有利于VO2薄膜的生长。结合XPS光谱分析,发现在不同衬底上形成的VO2薄膜中含有较多的V5+和相对少的V3+的杂质相。此外,理论分析指出,VO2薄膜的相变热滞回线宽度和平均晶粒尺寸之间存在一个反比变化的关系。SEM图像表明,VO2薄膜的平均晶粒尺寸确实随着Ti O2缓冲层厚度的增加而增大,从而很好地证实了上述观点。因此,可以认为Ti O2缓冲层从晶格结构、相含量和平均晶粒尺寸三个方面对VO2薄膜的性能产生了影响,进而导致热滞回线宽度减小。这份工作为VO2薄膜与器件在集成电路等领域的应用提供了新的思路。
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