氧化釩功能薄膜集成生長與器件基礎研究.pdf

1、近年來，具有特殊金屬-絕緣轉變特性的氧化釩功能材料，特別是能夠在室溫附近觸發(fā)該轉變的二氧化釩(VO2)材料，受到了廣泛的關注，并在微電子、光電子及傳感器方面展現出了巨大的應用前景。由于釩元素具有+2、+3、+4、+5多個化學價態(tài)且形成的氧化物相圖十分復雜，制備純相高質量外延二氧化釩薄膜目前仍然是國際上巨大的技術挑戰(zhàn)。因此，尋求一種簡單的方法實現價態(tài)可控的氧化釩薄膜沉積，并實現其高質量外延生長，是開發(fā)新型氧化釩功能器件的必要前提。

2、　　從物理本質上講，氧化釩功能器件都是基于其金屬-絕緣轉變的特性，通過調控氧化釩薄膜的微結構和應變狀態(tài)來改變薄膜物理性能是實現氧化釩薄膜器件應用的重要途徑。此外，通過異質結構集成其他類型的功能材料來構筑新型器件，并由VO2相變產生的應變對集成材料性質進行調控，從而實現耦合效應，是設計和開發(fā)新型功能薄膜器件的新思路。控制VO2與其他功能材料的界面則成為能否實現其耦合效應的關鍵。
　　針對以上問題，本論文分別采用新興的化學溶液方法—高

3、分子輔助沉積法和物理脈沖激光沉積法制備了高質量外延的氧化釩功能薄膜，根據氧化釩薄膜與基片的不同晶體對稱結構，通過4種不同的生長匹配方式，實現了對氧化釩薄膜金屬絕緣性能的調制，并系統研究了其應變弛豫的方式與物理性能之間的關聯性。在此基礎上，將VO2薄膜與磁致伸縮材料CoFe2O4實現了異質集成生長，并對該原型器件進行了耦合效應的表征。
　　在使用高分子輔助沉積技術的薄膜生長研究中，基于對薄膜生長熱力學行為的理論分析，通過對燒結過程中

4、氣氛的控制，實現了氧化釩薄膜的價態(tài)可控的生長，在藍寶石(0001)基底上制備了純相的V2O3、V4O7、VO2和V2O5薄膜，V2O3和VO2薄膜都與藍寶石基底形成了良好匹配的外延生長。這兩類薄膜都表現出了良好的金屬絕緣轉變特性：V2O3薄膜的升溫轉變點在158 K，降溫轉變點在130 K；VO2薄膜的升溫轉變點在341 K,降溫轉變點在336 K。微結構表征和分析表明，薄膜金屬-絕緣轉變的寬度與外延薄膜的應變存在密切的關系。
　

5、　為了進一步研究薄膜微結構與相變過程的關系，采用變溫拉曼技術對用高分子輔助沉積法制備的不同厚度VO2外延薄膜進行表征，在較厚（約150 nm）的樣品中能夠明顯觀察到結構轉變過程中中間相M2相的生成和演化，而在較薄（約90 nm）的樣品中這樣的現象則不明顯，通過高分辨X射線衍射獲得的微結構表征結果表明，這兩個樣品之間沒有明顯的應變差異，但在較厚的薄膜中，位錯密度高于較薄的樣品，從而表明位錯促進了VO2薄膜轉變過程中M2相的形成。
　

6、　另一方面，使用脈沖激光沉積方法在藍寶石(0001)基片上制備了具有高表面平整度的外延VO2薄膜，根據結構區(qū)域模型，通過工藝優(yōu)化，使薄膜表面均方根粗糙度從30 nm左右降低到6.81 nm，為進一步集成生長高質量功能薄膜打下了基礎。
　　采用相同的工藝，利用面內晶格常數各向異性的藍寶石(11-20)基片，通過高質量的外延生長，獲得了具有面內各向異性特性的VO2外延薄膜。輸運測試結果表明，在185 nm厚度的樣品中，在薄膜的面內觀察

7、到兩個取向的金屬絕緣轉變過程具有各向異性，即沿著藍寶石[0001]取向能觀察到兩個金屬絕緣轉變的臨界點，而沿著[10-10]取向僅能明顯觀察到一個臨界點。隨著厚度的減薄，這種效應逐漸消失，在30 nm的樣品中在面內兩個取向上都僅能觀察到一個轉變臨界點。由此提出了由薄膜與基片之間的晶格匹配關系誘發(fā)的面內取向上不同應變弛豫方式而引起上述各向異性的可能物理模型。
　　在實現高質量外延生長VO2薄膜的基礎上，進一步集成生長了磁致伸縮CoF