氧化钒薄膜结构和性能研究

论文摘要

二氧化钒（VO2）是一种具有热致相变特性的金属氧化物,随着温度降低,大约在68℃附近,发生从金属到非金属（或半导体）的性质突变。由于相变温度接近室温,且相变前后光、电性能变化幅度较大,VO2在很多领域具有重要的应用价值。 近年来,薄膜VO2材料的研究有了飞速的发展,特别是在应用方面,已成功应用于太阳能控制的智能窗、激光防护的保护膜和制造红外成像的非制冷红外焦平面阵列等。 本论文研究了采用两种工艺方法制备VO2薄膜:一种是在常温下利用脉冲磁控反应溅射沉积了高价态的氧化钒前驱薄膜,再通过真空热处理制备了VO2薄膜;另一种是用射频磁控反应溅射沉积直接沉积VO2薄膜。对氧化钒薄膜从物理化学性质、结构特征、热致相变特性、抗激光能力等方面进行了比较系统深入的研究。所开展的主要研究工作和所得到的研究结果有: （1）采用脉冲磁控溅射方法在常温下制备出V2O5薄膜,然后在真空中热处理还原制备出VO2薄膜。实验研究和分析表明,要得到高质量的VO2薄膜,溅射制备时的反应气体分压,真空退火处理时的退火温度与退火时间,以及退火的气氛种类等是影响VO2薄膜结构和成分以及相变特性的关键工艺参数。 （2）用X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜等手段对脉冲磁控溅射结合真空退火制备的氧化钒薄膜的组分、晶相、表面形貌进行了分析,测试了薄膜的相变特性、光学和电学特性及其变化规律。分析表明,薄膜中氧化钒的价态主要是混合价态,多种相共存。结构为多晶,没有明显的取向生长。通过优化制备过程中的工艺参数,在衬底温度为500℃左右,氧分压约为8%时,获得了能够满足使用要求的VO2敏感薄膜。在红外波段波数为2000 cm-1处,光透过率从低温态的到高温态变化了35%,电阻变化最大达到3个数量级。 （3）用射频磁控反应溅射方法沉积了VO2红外敏感薄膜。研究了薄膜的沉积速率、电阻率变化、光学透过率变化和相结构变化规律。实验发现,在480℃的衬底温度下,当反应气体流量比O2/Ar+O2低于5%时,薄膜中的主要成分为金属钒;流量比处于6%～7.7%之间时主要为V2O3、V2O3+VO2和低价氧化物;在7.8～8.5%时可以得到以VO2为主要相的薄膜;处于9%～10%之间主要为混合相;大于10%主要为V2O5相。在反应气体流量比为

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 二氧化钒薄膜金属一半导体相变特性的应用
• 1.3 二氧化钒薄膜用于非致冷红外探测器
• 1.4 本论文研究的意义和目的
• 1.5 小结
• 第二章 二氧化钒的基本性质
• 2.1 钒的物理化学性质
• 2.2 钒.氧化合物及性质
• 2.3 二氧化钒的相变特性
• 2.4 二氧化钒的结构特性及相变原理
• 2.5 二氧化钒薄膜作为红外敏感材料
• 2.6 小结
• 第三章 二氧化钒的制备工艺
• 3.1 二氧化钒薄膜的制备方法
• 3.2 二氧化钒粉末材料的制备方法
• 3.3 二氧化钒薄膜制备的工艺特点
• 3.4 小结
• 第四章 真空退火制备氧化钒薄膜
• 4.1 血氧化二钒薄膜的制备
• 4.2 氧化钒薄膜微结构分析和性能评价
• 4.3 实验结果和分析讨论
• 4.3.1 五氧化二钒薄膜
• 4.3.2 真空退火温度与氧化钒薄膜的相结构的关系
• 4.3.3 真空退火时间与氧化钒薄膜相结构和化学组份关系
• 4.3.4 真空退火气氛对氧化钒薄膜的影响
• 2薄膜的电学性能研究'>4.3.5 VO₂薄膜的电学性能研究
• 2薄膜的光学性能研究'>4.3.6 VO₂薄膜的光学性能研究
• 4.4 小结
• 第五章 磁控反应溅射法制备氧化钒薄膜
• 5.1 二氧化钒薄膜制备
• 5.2 薄膜结构分析和性能评价
• 5.3 实验结果和分析讨论
• 5.3.1 氧化钒薄膜沉积速率与反应气体分压关系
• 5.3.2 反应气体分压与薄膜相结构的关系
• 5.3.3 氧化钒薄膜化合价和组份
• 5.3.4 薄膜的微观结构及相结构变化
• 5.3.5 氧化钒薄膜的电学相变特性和电阻温度系数
• 5.3.6 氧化钒薄膜的光学相变特性
• 5.4 小结
• 第六章 氧化钒薄膜的抗激光损伤评价
• 6.1 薄膜材料激光损伤的机理
• 6.2 激光辐照下声学和光学声子波包等产生的主要机制
• 6.3 激光评价实验和结果讨论
• 6.4 小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢