氧化钒薄膜的制备、微结构与特性研究

论文摘要

氧化钒一般以混合价态形式存在,常见的钒氧化物都具有金属—半导体相变的转化特性。氧化钒薄膜具有良好的热敏特性,在红外探测和热成像应用领域有广阔的发展潜力。本论文以氧化钒薄膜为研究对象,采用直流磁控溅射法制备氧化钒热敏薄膜,对氧化钒薄膜的制备、微结构、及其特性进行相关研究。实验过程中,除了充分利用X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等技术对薄膜的微观结构和化学特征表征外,重点研究了氧化钒薄膜的方阻以及方阻随温度的变化特性,即薄膜的热敏性能。此外对氧化钒薄膜的折射率、消光系数也进行了探讨。论文主要包括以下六方面内容:（1）氧化钒薄膜的微观结构是影响薄膜性能的重要因素。论文首先运用XPS、XRD、SEM、AFM等多种分析手段,对薄膜的成份、价态以及薄膜的晶态与形貌结构进行比较详细的分析,以期对实验采用的直流反应磁控溅射法制备的氧化钒薄膜的微观特征有所了解,从而有助于确定氧化钒薄膜生长工艺的优化。（2）在氧化钒薄膜生长工艺的优化中,论文首先系统研究了直流反应磁控溅射氧化钒薄膜过程中不同工作气体（Ar）流量、不同反应气体（O2）流量、以及不同比例的Ar/O2混合气体条件下薄膜沉积速率和溅射电压的变化,从而提出了一种新的监控氧化钒薄膜生长、控制氧化钒薄膜性能的方法——溅射电压控制法。采用溅射电压控制法,通过监控溅射电压的变化,适时调整溅射过程中的气体流量,可以有效提高薄膜制备工艺的重复性和可控性,对提高薄膜性能的稳定性和可重复性有重要的作用。采用此法在不同的溅射电压下制备了氧化钒薄膜,对这些薄膜的性能做了分析和比较。当溅射电压选择在（304～318）V时,薄膜方阻值可控制在（30～150）KΩ/□,薄膜的方阻温度系数在-4%/℃～-5%/℃,生长的氧化钒薄膜相应的O/V比在1.91～2.13。（3）对氧化钒薄膜在Si基片、玻璃基片、Si3N4/Si基片等衬底上的生长模式和织构进行了研究。实验结果表明不同的衬底上生长的氧化钒的生长模式和织构存在较大差异。Si3N4/Si衬底上生长的氧化钒薄膜晶粒细小,薄膜较为平坦;而玻璃衬底和Si衬底上的晶粒较为粗大,薄膜的柱状生长较为明显。氧化钒薄膜厚度的调整会明显改变薄膜晶粒大小;薄膜的厚度和薄膜的晶粒尺寸的变化会导致薄膜电性能的很大变化。对不同衬底上生长的80nm、440nm、1000nm厚的氧化钒薄膜研究后发现,随着薄膜厚度的增加,薄膜的晶粒尺寸明显增加;不同衬底上生长的二氧化钒薄膜晶粒都呈现一种比较规则的“纺锤”形或“棒”形,晶粒的尺寸也具有一定的变化规律;薄膜的方阻随着薄膜厚度和薄膜晶粒的增大而减小;同时,随着薄膜厚度和薄膜晶粒的增大,薄膜的半导体—金属相变也逐渐趋于明显。实验说明,衬底是影响氧化钒薄膜微观结构和性能的重要因素之一。（4）对不同厚度的氧化钒薄膜,进一步研究了薄膜的光、电性能,发现薄膜厚度对薄膜的折射率和消光系数有较大影响。采用Preisach等理论模型对VO2薄膜非对称的热滞回线做了分析,确定了氧化钒薄膜的阻值与外加温度以及温度变化导致的晶粒体积的变化密切相关。（5）尝试采用了在纯氩气氛中直流磁控溅射V2O5靶材沉积氧化钒薄膜。对沉积的薄膜进行了后续高真空高温退火处理。利用XRD对薄膜的晶相进行了分析,结果表明退火处理前和退火处理后的薄膜都具有VO2晶面的取向,薄膜的XPS成份分析证明了XRD的物相分析结果。对薄膜的XRD分析和薄膜方阻特性的测试表明生成的薄膜是典型的VO2（B）薄膜。在此基础上,利用薄膜晶界散射理论,通过改变薄膜厚度和晶粒大小对薄膜的方阻和方阻温度系数进行了有效调控。（6）尝试采用了先直流磁控溅射沉积金属钒膜再对其氧化热处理制备氧化钒薄膜,采用此法时,通过适当的氧化处理可优化薄膜的方阻,改善薄膜的方阻温度系数,使处理后的氧化钒薄膜的方阻温度系数能达到-2%/℃以上;薄膜中各价态钒的比例及钒氧比会通过调整退火条件而得到改善。通过以上研究,我们对氧化钒薄膜的制备、微结构、及其性能有了进一步的认识和了解,为氧化钒薄膜的应用做了较为有益的基础研究工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氧化钒的结构与特性简介
• 1.2.1 二氧化钒的晶体结构学和性质
• 1.2.2 五氧化二钒的晶体结构学和性质
• 1.3 氧化钒薄膜的制备
• 1.3.1 氧化钒薄膜的制备方式
• 1.3.2 国内外氧化钒薄膜的磁控溅射制备研究
• 1.4 氧化钒薄膜的热阻机制
• 1.4.1 氧化钒薄膜的热阻机理和模型
• 1.4.2 氧化钒薄膜电阻温度系数计算
• 1.5 氧化钒薄膜非制冷红外探测器介绍
• 1.5.1 红外成像仪的发展
• 1.5.2 非制冷红外焦平面器件概述
• 1.5.3 国外及国内非制冷红外焦平面器件的发展概况
• 1.6 课题的研究背景与方向
• 1.6.1 氧化钒薄膜的制备、微结构与电特性之间的关系
• 1.6.2 课题的研究背景与目标
• 1.6.3 本论文的制备方法的选择与研究重点
• 第二章 实验原理与实验步骤
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验步骤
• 2.2.1 基片的选择与清洗
• 2.2.2 薄膜的沉积与靶材的预溅
• 2.2.3 薄膜的化学结构表征
• 2.2.4 薄膜的光学、电学特性表征
• 第三章 氧化钒薄膜的微观结构研究
• 3.1 薄膜的成份及价态分析
• 3.2 薄膜的晶态分析
• 3.3 薄膜的形貌分析
• 3.4 氧化钒薄膜的微观结构对薄膜相变和方阻的影响分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 氧化钒薄膜的磁控溅射制备及性能优化研究
• 4.1 磁控溅射制备氧化钒薄膜中溅射气氛的研究
• 4.1.1 工作气体流量对薄膜沉积速率和溅射电压的影响
• 4.1.2 反应气体流量对薄膜沉积速率和溅射电压的影响
• 4.1.3 氩氧流量比对薄膜溅射电压的影响
• 4.2 氧化钒薄膜的生长控制方法研究
• 4.2.1 溅射电压控制法
• 4.2.2 电压调控法制备氧化钒薄膜
• 4.3 磁控溅射制备氧化钒薄膜中衬底的影响分析
• 4.3.1 氧化钒薄膜在硅衬底上的生长研究
• 4.3.2 氧化钒薄膜在玻璃衬底上的生长研究
• 4.3.3 氧化钒薄膜在覆盖有氮化硅薄膜的硅衬底上的生长研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 氧化钒薄膜的光学、电学特性研究
• 5.1 氧化钒薄膜的光学特性研究
• 5.1.1 薄膜光学特性分析的模型建立
• 5.1.2 不同厚度薄膜的光学特性分析
• 5.2 二氧化钒薄膜的电学特性研究
• 2薄膜的电学特性分析'>5.2.1 VO₂薄膜的电学特性分析
• 5.2.2 薄膜的均匀性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 直流磁控溅射法制备氧化钒薄膜的其它工艺途径探索
• 6.1 直流磁控溅射五氧化二钒靶生长氧化钒薄膜
• 6.1.1 实验
• 6.1.2 结果及讨论
• 6.2 钒膜氧化法制备氧化钒薄膜
• 6.2.1 实验
• 6.2.2 结果及讨论
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文的主要工作总结
• 7.2 本论文的重要成果
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 在读博士期间的研究成果