钒氧化物薄膜制备工艺及性能研究

论文摘要

本文对钒及钒氧化物,特别是VO2和V2O5的基本性质,制备工艺特别是溶胶凝胶工艺,和应用前景等进行了综述。VO2在68℃左右发生低温半导体态到高温金属态的相变,其电学和光学性能发生突变,在热、电开关和光存储介质方面有着广泛的应用。然而钒和氧作用生成的化合物是钒的各种价态的氧化物如VO、V2O3、V2O5的混合体,要得到纯的VO2很难。人们做了很多工作来研究其光电性质,并用了多种方法来制备VO2薄膜。VO2单晶有优良的电学、光学性能,其在转换温度处,在0.1℃温度变化范围内,其电阻率变化可达5个数量级,但是由于其体膨胀系数较大,相变后单晶会破裂导致相变过程不可逆。本实验以分析纯V2O5为原料,采用无机溶胶凝胶法制备钒氧化物薄膜。熔融水淬制备的V2O5水溶胶,采用浸涂和滴涂两种方法在硅衬底制备了V2O5干凝胶膜,并在空气中处理得到了具有一定择优取向的V2O5薄膜。经XRD分析和显微组织观测,这种择优取向与热处理温度有关,热处理温度越高,V2O5薄膜越趋向于择优生长。对所制备的V2O5薄膜进行真空退火制备VO2薄膜。经过多组工艺筛选实验和重现性实验来确定最佳真空退火工艺。硅衬底和玻璃衬底上VO2薄膜的最佳真空退火工艺为470℃-480℃下真空退火2h。经XRD分析表明：该工艺下制得了具有沿<110>晶向生长的单相VO2薄膜,表面形貌分析表明薄膜表面质量良好,晶粒大小、分布均匀。对所制备的薄膜样品进行电学性能测试和X射线光电子能谱分析（XPS）。电学性能测试表明本实验制备的单相VO2薄膜在所测定的温度区间（295K-350K）范围内呈半导体特性,即电阻随温度升高而下降。XPS分析表明,真空退火工艺确实实现了V5+到V4+的转变,随真空退火温度的提高V2p3的峰位向低能量方向移动,O1s的峰位向高能量方向移动。对钒氧化物薄膜的性能做了初步探索研究,在300℃烘干,450℃/1h空气中热处理,470℃/2h真空退火制得的薄膜样品在290K就能发生了相变,低于VO2单晶相变温度51K,同时电学和光学性能随之变化,通过XRD和XPS分析,此钒氧化物薄膜并非单相而是以低价钒氧化物为主的混合价态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 钒及其氧化物
• 1.2.1 钒
• 1.2.2 钒的氧化物
• 1.3 五氧化二钒和二氧化钒薄膜材料的性质
• 1.3.1 五氧化二钒薄膜
• 1.3.2 二氧化钒薄膜
• 1.4 二氧化钒薄膜的制备方法
• 1.4.1 磁控溅射及反应溅射
• 1.4.2 真空蒸镀
• 1.4.3 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.4.4 气相沉积法
• 1.4.5 反应蒸发法
• 1.4.6 溶胶凝胶法
• 1.4.7 二氧化钒薄膜制备技术的比较
• 1.5 溶胶—凝胶（sol-gel）法
• 1.5.1 溶胶原理和溶胶制备
• 1.5.2 凝胶原理及凝胶制备
• 1.5.3 凝胶的干燥和热处理
• 1.5.4 薄膜的附着类型和影响附着因素简述
• 1.5.5 溶胶-凝胶薄膜制备工艺的应用
• 1.6 国内外研究进展
• 1.7 本课题研究意义和内容
• 第二章 实验探索及实验过程
• 2.1 实验原料及仪器设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备及分析仪器
• 2.1.3 自建设备
• 2.2 实验方案的讨论与选择
• 2O₅溶胶制备方案的选择'>2.2.1 V₂O₅溶胶制备方案的选择
• 2.2.2 衬底的选择
• 2O₅湿凝胶膜镀膜方法的选择'>2.2.3 V₂O₅湿凝胶膜镀膜方法的选择
• 2O₅薄膜制备工艺的选择'>2.2.4 V₂O₅薄膜制备工艺的选择
• 2薄膜制备工艺的选择'>2.2.5 VO₂薄膜制备工艺的选择
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 衬底的处理
• 2O₅水溶胶的制备'>2.3.2 V₂O₅水溶胶的制备
• 2O₅干凝胶的制备'>2.3.3 V₂O₅干凝胶的制备
• 2O₅薄膜的制备'>2.3.4 V₂O₅薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>2.3.5 VO₂薄膜的制备
• 2.4 样品表征和性能测试
• 2.4.1 XRD分析
• 2.4.2 电阻温度曲线（R-T）测试
• 2.4.3 红外光谱分析
• 2.4.4 X射线光电子能谱分析
• 2.4.5 扫描电镜分析
• 2.5 样品汇总表
• 2.6 实验过程中需要注意的问题
• 第三章 实验结果分析与讨论
• 3.1 薄膜样品的XRD图谱分析
• 2O₅干凝胶膜XRD分析'>3.1.1 V₂O₅干凝胶膜XRD分析
• 2O₅薄膜XRD分析'>3.1.2 V₂O₅薄膜XRD分析
• 2薄膜的XRD分析'>3.1.3 VO₂薄膜的XRD分析
• 3.2 薄膜样品金相显微分析
• 2O₅薄膜金相显微分析'>3.2.1 V₂O₅薄膜金相显微分析
• 2薄膜金相显微分析'>3.2.2 VO₂薄膜金相显微分析
• 2薄膜R-T分析'>3.3 VO₂薄膜R-T分析
• 2薄膜的XPS分析'>3.4 VO₂薄膜的XPS分析
• 3.4.1 XPS成份分析
• 3.4.2 XPS窄程扫描分析
• 第四章 低相变点钒氧化物薄膜初步探索研究
• 4.1 低相变点钒氧化物薄膜物相分析
• 4.2 低相变点钒氧化物薄膜电学性能分析
• 4.3 低相变点钒氧化物薄膜光学性能分析
• 4.4 低相变点钒氧化物薄膜SEM及能谱分析
• 4.5 低相变点钒氧化物薄膜XPS分析
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士期间发表论文情况）