直流射频共溅射制备氧化钒薄膜的工艺探索

直流射频共溅射制备氧化钒薄膜的工艺探索

1薄膜下两氧化钒薄膜的杂工作特性1958年，贝尔斯特测试室的莫林发现了这种类型的棕榈树。在相变过程中,其结构从单斜变为四角金红石结构。VO2薄膜相变温度为68℃。伴随着相变过程,光电性能发生剧烈变化,在常温下VO2薄膜呈现半导体状态,对光波有较高的透射能力。当薄膜温度升高到相变温度时,薄膜状态迅速转变,此时VO2薄膜显示金属性质,对光波具有较高的反射率。在整个相变过程中,电导率有两个数量级的跃变,红外光学透射率变化可达50%左右,但可见光范围的变化只有百分之几。二氧化钒的相变温度可以通过引入杂质(即掺杂)来改变。研究显示,在VO2薄膜中掺入高价态过渡金属元素如W、Mo、F等杂质可以降低其相变温度,掺入低价态金属如Al、Cr、Fe等杂质可以提高相变温度。2实验结果与分析二氧化钒薄膜是在CMS-18全自动控制直流/射频磁控溅射镀膜机中进行的。制膜选用的基底材料是石英片。将基底片放置在由电阻丝加热的样品台上,样品台可以转动,从而可使薄膜沉积的厚度比较均匀。V、Ti、Al三个靶枪采用汇聚型放置,其中Al是直流靶,V和Ti是射频靶。在真空室内的极限真空可达6.6×10-6Pa。薄膜透射率是用Lambda900紫外-可见-近红外光谱仪测试的。X射线衍射(XRD)测量是在RigakuD/max-2400型X射线衍射仪上进行的。在沉积氧化钒薄膜的同时对其进行Ti和Al的掺杂。掺杂过程中,维持氧化钒薄膜沉积的气氛、压强、温度等条件不变,以3W和5W的功率溅射Ti和Al。实验条件与部分结果列于表1。可以看出,在室温条件下,薄膜的吸收率都比较高,这是因为温度低于相变温度,薄膜仍处于半导体态的缘故。一般地,当温度高于相变温度时,薄膜变为金属态,相应的热发射率显著降低。3结果与讨论3.1掺杂ti对薄膜导电性能各向异性的影响图1是在基底温度为550℃、钒靶射频功率为200W、钛靶功率为0W和5W、O2/Ar流量比为7.4%、沉积时间为40min条件下沉积得到的薄膜的电阻-温度特性曲线。所测样品呈圆形,直径均为30mm;测量时,探针间距保持为20mm。由图可知,对于掺杂Ti的氧化钒薄膜,其电阻相对于未掺杂薄膜发生了明显的改变,在测试区间的300～330℃范围内,电阻变化达到50倍以上,而没有掺杂Ti的样品电阻的变化仅有数倍。掺Ti导致电阻变化的原因有可能是杂质Ti增加了薄膜中VO2相的含量。掺杂对氧化钒薄膜的相变滞豫造成了较大的影响。多晶氧化钒薄膜中的晶粒间界使晶相转变受到影响,因而需要额外的热能去推动晶相转变的传递,促使相变越过晶界,从而晶相转变的完成需要较宽的温度范围。相变滞豫使得薄膜相变区域不明显;要得到室温下相变性能较好的VO2薄膜,需要严格控制实验条件。3.2w功率掺杂的薄膜透射率在室温下,对不同溅射功率下Al、Ti掺杂的氧化钒薄膜分别进行了透射光谱测试,结果如图2所示。可以看出,5W功率掺Al的薄膜在1500nm处的透射率比3W功率掺Al时的透射率增大约10%;5W功率掺Ti的氧化钒薄膜比3W功率掺杂的薄膜透射率减小40%以上。这是因为Ti在氧化钒材料中起受主杂质的作用,浓度提高(溅射功率增大),氧化钒薄膜的相变温度升高,相变滞豫区间增大,在室温下薄膜呈半导体态,吸收作用增强,导致薄膜的光学透射率降低。Al杂质的作用规律与此恰好相反。氧化钒薄膜在常温下显示出一定的半导体特性,其导电特性是由导带中的电子和价带中的空穴决定的。当氧化钒薄膜达到其相变温度后材料的禁带宽度变小了,这就导致价带中的电子在受到激发后更加容易跃迁到导带中去,而导带中的空穴也更加容易到达价带,从而使其导电率大大增加。同理,光子更加容易被半导体吸收,光的透射率下降。3.3热处理对薄膜中v在石英片基底上制备的VO2薄膜难以结晶,化学组成也不易控制,需要对其进行热处理。通常未经热处理的薄膜有很大的晶格缺陷,如薄膜不够致密,密度较小,存在孔洞等。这些都将使晶粒的相变时间产生差异,影响相变性能。热处理使薄膜中的原子在高温中受激化,使之调整至晶胞中平衡位置,消除孔洞,使晶体趋于致密。经过热处理工艺后薄膜重新结晶,使得薄膜中各种价态的钒氧化物的组分发生变化,从而增加了VO2的含量。实验中,选择一定数量的样品进行了退火处理。首先,在加热至350℃后通入Ar气15min。然后放入样品,加热至500℃退火2h。退火前后样品的XRD测试结果如图3所示。4纳米薄膜的热性能测试以石英片为基底材料,采用直流/射频磁控共溅射方法制备了掺Ti、Al的氧化钒薄膜。重点探索了在单晶硅和石英片基底上制备掺Ti、Al氧化钒薄膜的工艺条件。对磁控共溅射制备的氧化钒薄膜进行了热光性能测试,包括电阻-温度特性、X射线衍射谱(XRD)以及透射光谱等。实验及测试结果表明,在氧化钒薄膜中掺入Ti杂质与掺入Al杂质相比,对薄膜的热光性质的改变所起的作用更为明显。增大Ti杂质的含量对薄膜的电阻-温度特性,以及相变滞豫区的改善比较明显,但提高了薄膜的相变温度,而掺Al引起的变化规律与此相反。磁控共溅射沉积方法在掺杂薄膜的制备方面显示出更好的灵活性和可控性,具有实用价值。另一方面,我们注意到,在石英、玻璃等非晶衬底表面沉积二氧