磁控溅射沉积二氧化钒薄膜及其电致相变特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所,表面工程技术国家级重点实验室 作者:张玲

  采用反应射频磁控溅射技术在熔融石英玻璃衬底上制备了组分单一的二氧化钒薄膜。在制备好的二氧化钒薄膜上使用半导体工艺制备了金属叉指电极,通过半导体测试仪测试其电致相变特性。结果表明,当电极上所加电压达到一定阈值时电流发生突变,即薄膜发生半导体- 金属相变。

1、引言

  钒是一种副五族的过渡元素,由于其未填满的d 壳层,形成不同价态,故存在一系列复杂的氧化物。至今人们已发现该氧化物体系存在十几种不同的相,研究较多的有V2O3、VO2、V2O5 等。其中二氧化钒在68 ℃时发生热致相变特性,由于其临界温度比较接近室温,故早期许多工作都是致力于研究它的热致相变特性。近年来,二氧化钒电致相变特性的研究越来越引起人们的重视,其在微小电压、电流信号的作用下,实现光密度连续、可逆持久的变化,可应用于光控制部件,也可应用于无视角变化、大对比度非辐射显示器,还可用作各种热发射调节表面以及防眩光倒视反射镜等。

  目前,国外主要是Byung- Gyu、Choong- Rae Cho和MSoltani等在这方面做了许多研究工作,取得了进展,尤其MSoltani 等已将这一特性应用于可变发射智能辐射器;国内对二氧化钒的研究基本还是在薄膜制备与热致相变方面。作者采用反应射频磁控溅射技术直接沉积出了二氧化钒薄膜,并且研究了它的电致相变特性。

2、实验

  采用磁控溅射镀膜机进行薄膜样品的制备,射频频率为13.56 MHz,真空室压力低于5×10-5 Pa,样品架与靶间距约为17 cm。采用直径25 mm、厚1 mm 的熔融石英玻璃为衬底,在放入真空室样品架前采用丙酮、乙醇及去离子水超声波清洗并烘干。溅射过程中选用高纯氩气(99.995%)作为溅射气体,氧气(99.995%)为反应气体,靶材为金属钒(99.95%)。样品架以20 r/min 的速率旋转使薄膜厚度均匀,真空室工作压力为0.33Pa,O2/(Ar+O2)气体流量比为9.7%,射频功率设为200 W,基片加热温度设为500 ℃。

4、结论

  作者采用反应射频磁控溅射法在熔融石英玻璃基底上直接制备了二氧化钒薄膜。XRD 和SEM表明,薄膜由单一的二氧化钒多晶颗粒组成。通过对薄膜的电致相变特性的测试,发现该结构存在一个相变阈值电压Vth=1.56 V,当直流电压达到此值时薄膜瞬时发生半导体-金属相变(SMPT),由热平衡模型估算此时其温度也达到相变温度点Tt=340 K。其电致相变机理需进一步深入研究。

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