VO2相變薄膜的制備和應(yīng)用研究.pdf

1、二氧化釩(VO2)是一種電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的金屬氧化物材料，它具有一階可逆相變特性。在臨界溫度68℃附近，VO2發(fā)生金屬-絕緣相變(MIT)，由低溫單斜相突變到高溫四方相，相變前后電阻突變可高達(dá)4～5個(gè)量級(jí)，同時(shí)VO2在相變前后對(duì)紅外光的透射具有調(diào)制作用，即由低溫高透性變?yōu)楦邷馗叻葱?。正是由于這種接近室溫的電學(xué)和光學(xué)突變性質(zhì)，VO2吸引了人們的廣泛關(guān)注，使其在智能窗、光電開光、光電存儲(chǔ)、紅外激光輻射防護(hù)和非制冷紅外探測(cè)器等領(lǐng)域有著極其廣泛的

2、應(yīng)用前景。
　　但是，一方面，由于VO2的臨界相變溫度還是相對(duì)過(guò)高，極大的阻礙了VO2材料在許多領(lǐng)域的廣泛的應(yīng)用，因此調(diào)控VO2的相變溫度(Tc)，將Tc調(diào)節(jié)到室溫附近對(duì)解決VO2應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題就顯得尤為重要。有許多的文獻(xiàn)報(bào)道了Tc能夠通過(guò)如下三種方法得到有效的調(diào)控:一是高價(jià)金屬離子摻雜來(lái)調(diào)控相變溫度;二是通過(guò)薄膜內(nèi)部或外部的應(yīng)力來(lái)調(diào)控相變溫度;三是構(gòu)建VO2場(chǎng)效應(yīng)器件，通過(guò)離子液來(lái)施加外電場(chǎng)，從而有效地降低VO2的相變溫度。

3、r>　　另一方面，要想使二氧化釩具有更廣泛的應(yīng)用，我們還需要從VO2薄膜與其他材料的復(fù)合方面著手，結(jié)合VO2與其他材料的各種優(yōu)勢(shì)，使其更加具有實(shí)際利用價(jià)值。根據(jù)這樣的思路，該論文的主要研究?jī)?nèi)容及其所取得的研究成果如下:
　　(1)利用氧源分子束外延(OMBE)方法制備高質(zhì)量的VO2外延薄膜樣品。OMBE能夠精確地制備不同厚度高質(zhì)量的VO2薄膜，且通過(guò)精確控制釩和氧原子比，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的釩氧化物(VOx)薄膜的外延生長(zhǎng)。此外，該薄

4、膜樣品制備方法的可重復(fù)率高，還能制備2英寸大面積的VO2薄膜。
　　(2)通過(guò)在p-GaN單晶襯底上制備高質(zhì)量n型導(dǎo)電的VO2薄膜得到p-n結(jié)型半導(dǎo)體器件。利用XRD以及Raman光譜來(lái)研究薄膜生長(zhǎng)行為和物相成分，再借助高分辨同步輻射ψ-scan XRD來(lái)研究薄膜與襯底之間的界面匹配關(guān)系。同時(shí)通過(guò)在p-n結(jié)兩端加上偏壓來(lái)調(diào)控耗盡層內(nèi)載流子濃度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)VO2薄膜的金屬-絕緣相變特性的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，p-n結(jié)耗盡層內(nèi)電荷載

5、流子濃度能通過(guò)外加偏壓來(lái)控制，從而有效地調(diào)控VO2的金屬絕緣相變。通過(guò)構(gòu)筑p-n結(jié)型器件，利用電場(chǎng)調(diào)控VO2薄膜的相變這一創(chuàng)新思路有望在光電存儲(chǔ)或傳感器領(lǐng)域得到廣泛的使用。
　　(3)嘗試開展了VO2薄膜在石墨烯和HOPG襯底上的生長(zhǎng)研究，制備出了可轉(zhuǎn)移的VO2/HOPG或VO2/grapheme復(fù)合薄膜。同時(shí)探究了VO2/grapheme和VO2/HOPG復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)在智能窗領(lǐng)域的應(yīng)用;嘗試?yán)肰O2薄膜在適當(dāng)條件下退火的方法制