磁控溅射制备纳米二氧化钒半导体薄膜及表征

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)郧阳师范高等专科学校物理系 作者:王安福

  本文采用射频磁控溅射法,结合氩气气氛退火工艺制备了VO2薄膜。通过优化磁控溅射和热退火工艺,结合激光拉曼光谱仪(Raman)、X 射线光电子能谱(XPS)、电镜扫描(SEM)对薄膜的相结构、组分和表面形貌进行分析。结果表明:溅射衬底温度为150℃,在450℃氩气气氛退火2.5 h 能制备出高质量的VO2薄膜,表面呈米粒状,有一定的取向性。

  二氧化钒(VO2)是一种具有热致相变特性的金属氧化物。伴随温度的变化,VO2 会发生从半导体态到金属态的可逆相变。其相变温度接近室温,相变时间为纳秒级,相变前后有较大幅度光、电性能变化。由于其薄膜比表面积大、重量轻、工艺兼容便于集成、可经受反复相变,并广泛应用于光存储、光电转换、激光防护和智能窗等领域。国内二氧化钒薄膜的研究应用还处于较低的水平,关键是二氧化钒薄膜的制备难,测试复杂。在过去的二氧化钒薄膜制备中,蒸发法制得的VO2 薄膜机械强度低、附着力小、不易电集成;Sol - Gel 法制备的薄膜致密度差,厚度不易控制,且容易存在气泡或开裂等缺陷;脉冲激光沉积难以得到大面积的多晶薄膜;MOCVD 制得的薄膜会存在碳污染、纯度较差、工艺监控不精确等缺点。本文采用射频磁控溅射法制备了V2O5 薄膜,然后再退火热还原制备VO2 薄膜,此方法简单、成本低、易推广,便于制备大面积、均匀、理想配比的薄膜。

1、薄膜的制备

  用JED- 400 磁控溅射V2O5 陶瓷靶,本底真空3.0×10- 3 Pa,180 W溅射3 h,衬底温度150℃,靶间距10 cm,在450℃氩气气氛退火2.5 h。用XRDD8 Advance,RM2000,ESCALAB 250 Scanning XPS,SEM(XL- 30FEG)进行分析表征。台阶仪(Ambios USA) 测得的厚度为200 nm。基片是用酒精和丙酮反复超声清洗过的医用玻璃载玻片。

2、结果与讨论

2.1、靶材的分析

  溅射所用的靶材烧结过程为:大气气氛中以每分钟2℃的速率上升到500℃,然后保温5 h,再以每分钟2℃的速率降低到室温。烧结温度不能过高,烧结时间也不能过长,因为V2O5 的熔点为690℃,温度过高,时间过长,V2O5 靶材会熔融掉。烧结前后比较发现,烧结后成为陶瓷,颜色由烧结前的浅黄色变为砖红色。烧结后的靶材的拉曼谱(图1),没有发生相变仍为V2O5 结构。

 靶材的Ranman谱

图1 靶材的Ranman 谱

3、结论

  以磁控溅射气氛退火的方法制备了VO2 薄膜。利用Raman、XPS、SEM 对薄膜组分、晶相、表面形貌进行表征。实验表明磁控溅射气氛退火处理是一种可行的制备VO2 薄膜的方法。在VO2 薄膜的制备过程中,衬底温度和气氛退火温度、退火时间是最重要的工艺参数,对它们的合理选择和严格控制是能否制备出VO2 含量较高的薄膜的关键。加温速率不能过快,否则薄膜表面容易龟裂。当在450℃退火超过8 h 后,样品表面薄膜基本上被蒸发掉,时间控制在1~6 h之间能够制备出含有VO2 成分的薄膜。溅射衬底温度150℃,然后450℃氩气气氛退火2.5 h,能制备出高质量的VO2 薄膜。

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