反应磁控溅射制备掺钨氧化钒薄膜的研究

论文摘要

VO2薄膜是一种具有典型热致相变特性的功能材料,在68℃附近会发生低温半导体态到高温金属态的可逆转变,在转变过程中电阻率和红外透过率等物理性质会发生急剧变化。但VO2很多用途都要求温度在室温附近,如:智能窗、红外探测器等,而掺杂能有效的降低相变温度。目前沉积VO2薄膜的主要方法为反应磁控溅射法,但钒的氧化物非常复杂,制备单一物相的VO2薄膜非常困难,而V2O5薄膜却很容易制备,可以利用V2O5薄膜在高温真空下退火制备VO2薄膜。我们采用正交试验法着重研究了氧气体积百分比（Po2）、溅射功率、溅射时间和基体材料对溅射钒氧化物薄膜物相的影响,实验得到制备单一物相V2O5薄膜的优化参数:溅射功率150W时,氧气体积百分比大于15%。采用复合靶制备了掺钨的氧化钒薄膜,研究了退火温度、退火时间等对薄膜物相和表面形貌的影响,实验发现SiO2玻璃基体上掺钨氧化钒薄膜500℃下退火2h可得到主要物相为VO2的薄膜;而普通玻璃上制备的薄膜在500℃下退火4h或600℃下退火2h,有利于VO2的生成。在上述研究的基础上,我们研究了掺钨对薄膜物相和性能的影响。实验发现掺钨后薄膜为非晶态,500℃下真空退火2h后薄膜中VO2衍射峰的强度和数量都比未掺钨时减小,结晶性较差。掺钨后,薄膜可见光的透过率明显提高,而红外透过率略有降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 综述
• 2的晶体结构'>1.1 VO₂的晶体结构
• 2的特性'>1.2 VO₂的特性
• 1.2.1 光学性质
• 1.2.2 电阻率突变特性
• 1.2.3 I～V开关特性
• 1.2.4 其他性质
• 2薄膜的应用'>1.3 VO₂薄膜的应用
• 1.3.1 智能窗
• 1.3.2 光储存
• 1.3.3 热敏开关
• 1.3.4 红外探测器保护阀
• 1.3.5 非致冷红外探测器
• 2的相变温度'>1.4 掺杂改变VO₂的相变温度
• 1.5 掺杂改性原理
• 1.5.1 原子尺寸理论
• 1.5.2 化合价理论
• 1.5.3 应力理论
• 1.5.4 电荷转移机理
• 1.5.5 键长理论
• 2薄膜的方法'>1.6 制备掺杂VO₂薄膜的方法
• 1.6.1 离子注入掺杂法
• 1.6.2 液相混合掺杂法
• 1.6.3 水热合成掺杂法
• 1.6.4 溅射掺杂法
• 1.6.5 金属有机化合物气相沉积掺杂法
• 1.7 溅射掺杂的靶材设计
• 1.7.1 复合靶
• 1.7.2 钨钒合金靶溅射
• 1.7.3 多靶溅射
• 1.8 国内外研究进展
• 1.9 本文的研究意义和目的
• 第二章 实验方案和实验过程
• 2.1 实验设备
• 2.2 磁控溅射原理
• 2.3 实验流程图
• 2.4 实验靶材的设计
• 2.5 薄膜样品的制备
• 2.5.1 基体材料及其表面预处理
• 2.5.2 薄膜制备工艺参数
• 2.6 薄膜样品的检测
• 2.6.1 X射线衍射仪
• 2.6.2 原子力显微镜
• 2.6.3 傅立叶红外光谱仪
• 2.6.4 紫外可见分光光度计
• 2.6.5 差热分析仪
• 第三章 溅射氧化钒薄膜工艺正交试验
• 3.1 正交试验方法
• 3.2 正交表的代号及含义
• 3.3 试验方案的确定
• 3.4 试验结果评分
• 3.5 试验结果分析
• 3.6 正交试验结果的验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 沉积工艺对掺钨氧化钒成膜的影响
• 4.1 基体材料对薄膜物相和表面形貌的影响
• 4.1.1 基体材料对薄膜物相的影响
• 4.1.2 基体材料对薄膜表面形貌的影响
• 4.2 氧气体积百分比对薄膜物相的影响
• 4.3 沉积时间对薄膜物相和表面形貌的影响
• 4.3.1 沉积时间对薄膜物相的影响
• 4.3.2 沉积时间对薄膜表面形貌的影响
• 4.4 退火温度对薄膜物相和表面形貌的影响
• 4.4.1 退火温度对薄膜物相的影响
• 4.4.2 退火温度对薄膜表面形貌的影响
• 4.5 退火时间对薄膜物相和表面形貌的影响
• 4.5.1 退火时间对薄膜物相的影响
• 4.5.2 退火时间对薄膜表面形貌的影响
• 4.6 氧化钒薄膜真空还原的理论研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 掺钨对氧化钒薄膜的影响
• 5.1 掺钨对薄膜微观结构组织的影响
• 5.1.1 掺钨对薄膜物相的影响
• 5.1.2 掺钨薄膜退火前后的表面形貌
• 2薄膜光学性能的影响'>5.2 掺钨对VO₂薄膜光学性能的影响
• 2薄膜的相变性能'>5.3 掺钨VO₂薄膜的相变性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文