超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法 - 上海六鉴投资顾问有限公司

本发明公开了一种超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法，其特征在于，利用磁控溅射镀膜仪溅射金属钒靶，通过控制溅射时间在蓝宝石基底上镀膜，得到金属钒薄膜；将金属钒薄膜置于快速退火炉内，然后在氩气和空气混合气体氛围下进行氧化处理，再将氧化后的薄膜取出并在空气中自然冷却，获得超薄二氧化钒薄膜。本发明操作简单、重复性高、制备的薄膜质量好，通过透射电子显微镜、原子力显微镜、四探针测试仪和光谱测试分析表明，所制备的超薄二氧化钒薄膜具有结晶度高、表面光滑、电阻变化明显以及可见光区域透过率较高等特性。

超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法

技术领域

本发明涉及一种超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法，属于VO2薄膜制备工艺技术领域。

背景技术

二氧化钒(VO2)是一种强关联电子材料并且在接近室温(～68℃)伴随着一个极快的相变过程，即从单斜结构到金红石结构的变化。伴随着这一结构的变化，VO2的电学和光学性能将会发生巨大的改变，尤其电阻和近红外透过率在相变前后会发生超过四个数量级的变化。这种变化使其被广泛应用在开关、存储器、传感器和智能窗等器件中。在一些纳米器件中需要较薄的VO2薄膜来实现小体积、低功耗和高性能的功能，如对于场效应晶体管来说，较薄的VO2薄膜可以降低其开启电压，从而减少器件的功耗。对于智能涂层如智能窗来说，较薄的VO2薄膜除了可以改变其相变前后近红外透过率外，也可实现较高的可见光透过率。这些独特的性质将使得超薄VO2薄膜被广泛应用在许多纳米器件和智能涂层的制备中。

目前，许多合成超薄VO2薄膜的技术已被广泛研究，如分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)和沉积后刻蚀等。这些技术已成功合成小于10nm的超薄VO2薄膜，为基于超薄VO2薄膜的器件提供了路径。但这些方法是昂贵和复杂的，这限制了许多基于超薄VO2薄膜器件的开发和广泛使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种简单易行、重复性好、结晶度高和性能优的超薄VO2薄膜的简单和经济的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：利用磁控溅射镀膜仪溅射金属钒靶，通过控制溅射时间在蓝宝石基底上镀膜，得到金属钒薄膜；

步骤2)：将金属钒薄膜置于快速退火炉内，然后在氩气和空气混合气体氛围下进行氧化处理，再将氧化后的薄膜取出并在空气中自然冷却，.......

。

优选地，所述步骤1)中磁控溅射镀膜仪的金属钒靶的纯度为99.99％，靶材直径为60mm，靶到衬底的间距为180mm，衬底旋转速度为16.7r/min；蓝宝石基底为c-Al2O3(0001)，厚度为0.5mm；镀膜前，先抽真空至1.8×10-3Pa以下，对金属钒靶预溅射10min，然后在136W功率下溅射0.5min，从而在蓝宝石基底上得到金属钒薄膜。

优选地，所述步骤2)中金属钒薄膜在快速退火炉内氧化过程分为以下三个阶段：

预热阶段：加热10秒，温度升至200℃，保持20秒；

升温阶段：加热8秒，温度升至470℃，保持15秒；

降温阶段：冷却10秒，温度降至200℃，保持10秒。

优选地，所述步骤2)获得超薄二氧化钒薄膜的厚度不大于10nm。

本发明所提供的超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法具有成本低廉、简单易行、重复性好，通过透射电子显微镜、四探针和光谱仪分析表明，所制备的超薄VO2薄膜具有高结晶度、相变明显和超高可见光透过率的等性，能为纳米器件和智能涂层的制备提供一种切实可行的方法。

附图说明

图1为实施例中快速退火炉内样品氧化的示意图；

图2为实施例中快速退火炉内氧化过程中温度变化的示意图；

图3为实施例中所制备的超薄VO2薄膜的厚度测量图；

图4为实施例中所制备的超薄VO2薄膜的HRTEM和FFT图；

图5为实施例中所制备的8nm超薄VO2薄膜与沉积后刻蚀传统的方法所制备的8nm超薄VO2薄膜的变温电阻曲线的比较图；

图6为实施例中所制备的8nm超薄VO2薄膜的升降温时电阻-温度变化率曲线图；

图7为本实施例中所制备的8nm超薄VO2薄膜与62nm VO2薄膜的可见光透过率曲线图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

一种超薄二氧化钒薄膜的简易制备方法：

首先，利用JPGF400B-G型磁控溅射仪对金属钒靶在136W功率下直流预溅射10min，去除靶材表面污染物。然后用相同的功率直流溅射0.5min在c-Al2O3基底上得到一层极薄的金属钒薄膜。本次实验所采用的金属钒靶的纯度为99.99％，直径为60mm，靶到衬底的间距为180mm。c-Al2O3基底的直径为15mm，厚度为0.5mm。溅射过程中基底的旋转速度为16.7r/min用来保证薄膜的均匀性。金属钒薄膜的制备参数如表1所示。

表1金属钒薄膜的制备参数

将制备好的极薄金属钒薄膜放入快速退火炉(RTP-500，北京东之星)内进行氧化处理，如图1所示，将样品1放入石英盒2中，石英盒2的顶部和底部均设有卤钨灯3，氧化过程中石英盒2一侧的进气口4同时通入氩气A和空气B，气体从石英盒2另一侧的出气口5排出。由于薄膜较薄，在高温下极短的时间内.......

，我们将一定量(70mL/min)高纯氩气(99.99％)充入退火炉内，待退火炉内气体稳定后，设定好参数即开始启动程序。高温氧化结束后，在合适的温度优选为200℃时，将氧化后的金属钒薄膜取出并置于空气中自然冷却，即可获得高结晶度的超薄VO2薄膜。氧化过程分为预热阶段、升温阶段和降温阶段，过程程序图如图2所示，其详细参数如表2所示。

表2氧化处理过程程序设定参数

图3为上述制备的VO2薄膜厚度测量图，测试仪器为Brucker公司生产的atomicforce microscopy(AFM,Multimode 8)。用锋利的手术刀用力在薄膜上划一道沟痕，然后在AFM下观察薄膜-基底的台阶高度。从图中(a)可以看出，在薄膜的一边出现了一个脊，这是由于在划沟痕时薄膜材料的堆积造成的，在计算薄膜厚度时应该被忽略。(c)为(b)中白线对应的台阶高度，从图中可以看到薄膜的厚度为8nm。

图4为上述制备的VO2薄膜的高分辨率透射电镜(HRTEM)和对应的傅里叶变换(FFT)图。从图中可以清楚地看到规则的晶格条纹，这表明薄膜具有高结晶性。

......。

图6为上述制备的8nm超薄VO2薄膜升降温时电阻-温度变化率曲线，从中可以看出在相变点附近电阻变化较快，表明具有较好的相变特性。

图7为上述制备的8nm超薄VO2薄膜与62nm VO2薄膜在可见光范围内的透过率比较图。从图中可以看出超薄薄膜的可见光透过率显著增加，最高达到77.5％，这将有利于智能涂层的应用。