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二氧化钒薄膜的磁控溅射生长及其性质研究

马旭  
【摘要】:二氧化钒(VO_2)因为具有热致相变特性而被人们熟知。随着温度的升高,会发生从低温半导体相到高温金属相的可逆转变,在相变前后,其光学和电学特性均有极大改变。这一特有的性质决定VO_2在光电开关、智能窗、红外探测器等领域具有广阔的应用前景,因此对VO_2的研究具有十分重要的科学价值。本文以VO_2薄膜为研究对象,采用射频反应磁控溅射法制备VO_2薄膜。实验过程中,除了充分利用X射线衍射、扫描电子显微镜和原子力显微镜等测试手段对薄膜的微观结构和表面形貌进行表征外,重点研究了VO_2薄膜的电学特性以及薄膜在微测辐射热计中的应用。论文主要包括以下几方面内容:1.分别利用直流和射频反应磁控溅射制备VO_2薄膜,研究了不同溅射方法对薄膜微观结构和表面形貌的影响。直流溅射时容易发生靶中毒,得不到我们需要的薄膜;射频溅射制得的薄膜表面均匀致密,呈四方状分布。2.通过控制氧气流量的大小在硅衬底上制备具有不同性能的VO_2薄膜,并对其结构和电学特性进行表征分析。随着氧气流量的增加,薄膜在VO_2(011)晶面取向择优生长,晶粒大小也随之增大。相变前后,薄膜的方阻变化了将近5个数量级,相变温度由341 K下降到320 K,热滞回线宽度由32 K减小为9 K。3.研究了不同溅射功率对VO_2薄膜表面形貌和光电性能的影响。制备出的薄膜具有较低的相变温度,在47℃左右。溅射功率的增加会引起薄膜晶粒尺寸和厚度的增加,进而减小薄膜的热滞回线宽度,薄膜在可见和红外的透过率逐渐降低,最终趋近于零。4.研究出一种更为直观的计算电阻温度系数(TCR)的方法,根据公式直接对电阻取对数,再对温度求导可直接得出材料的TCR,而不必通过材料的激活能来计算。我们计算了实验制备的薄膜在T=300 K时的TCR,在氧气流量为5 sccm条件下,薄膜的TCR为-3.455%/K;不同溅射功率下制备的薄膜TCR分别为-6.490%/K、-3.565%/K、-2.362%/K,均满足微测辐射热计的应用条件。


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