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VO_2/Nb:SrTiO_3异质结的电学性质及纳米团簇对VO_2薄膜光电性质影响的研究

何帆  
【摘要】:二氧化钒(V02)是一种固态热致相变材料,在温度升至68℃时会发生非金属-金属的可逆转变。由于在V02相变过程中会伴随有材料的电阻、磁化率以及光的透过率等的可逆突变,且在经过掺杂后其相变温度可降至室温附近,因此应用十分广泛。一方面可利用V02与其他半导体材料制备异质结以用于制作光电探测器和光电池等光电器件;另一方面,在基片上直接制备的V02薄膜可应用于智能玻璃和激光防护装置等的研制。目前实现VO2薄膜大规模应用的关键在于如何降低其相变温度至室温且不对其光电性质的突变幅值造成太大影响,而掺杂就是其中一种行之有效的方法。掺杂的方法较多,根据以往的课题经验和相关文献,本文主要研究纳米团簇的掺杂对V02薄膜光电性质的影响。 本文主要利用纳米球刻蚀技术中的表面张力自组装法制备纳米团簇结构以实现对VO2薄膜的掺杂,利用射频磁控溅射技术进行薄膜沉积,分别制备了不掺杂的含有纳米团簇结构的V02薄膜和Pt纳米团簇掺杂的V02薄膜,总结了制备V02薄膜的最佳条件,分别研究了它们的光电性质。研究表明不掺杂的含有纳米团簇结构的V02薄膜的电阻突变率可达81.8%,在波长1100nm处的光学透射率突变可达15%,相变温度范围在56-72℃之间;Pt纳米团簇掺杂的V02薄膜的电阻突变率可达66.7%,在波长1100nm处的光学透过率突变可达7%,相变温度范围在38-58℃之间。通过和常规V02薄膜的对比(电阻突变率72.7%,在波长1100nm处的光学透过率突变9%,相变温度范围58-74℃),总结得出单纯的纳米团簇的掺杂对V02薄膜的光学性质影响较为明显(在波长1100nm处的光学透过率突变幅度提升可达6%),而Pt纳米团簇掺杂则可明显降低V02薄膜的相变温度(降幅可达20℃)。通过对纳米团簇掺杂的V02薄膜的光电特性的研究,本文认为其在智能玻璃、光电开关和太阳能温控材料方面具有应用潜力。 此外,鉴于当前V02相关的异质结研究尚未广泛开展,本文在掺铌钛酸锶衬底(掺杂浓度0.7%)上制备了VO2/Nb:SrTi03异质结并研究了它的电学性质,为V02在异质结方面的应用打下实验基础。本文分别测试了VO2/Nb:SrTi03异质结在低温和高温下的电流-电压特性,发现无论高温还是低温均表现出较好的整流特性。经分析认为由于V02存在相变特性,所以低温下两者接触形成nN异质结,高温下则为肖特基结,并分别进行了理论验证。在测试异质结I-V特性时本文还观察到VO2/Nb:SrTi03异质结具有电滞现象,通过分析认为造成该现象的主要原因可用基于异质结界面处载流子的束缚-脱束缚机制进行解释。此外本文还对VO2/Nb:SrTi03异质结进行了光生伏特效应的测试,测试发现样品在波长为248nm、能量为1.1mJ的激光照射下产生了光伏效应,最大开路电压约为3.5mV。通过对VO2/Nb:SrTi03异质结电学性质的探索,本文认为该异质结在光电二极管、光电池和光电探测器方面具有应用潜力。


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