氧化钒薄膜的制备及其电学、光学特性研究

【摘要】：多年来，VO_X作为一种优质的光电功能材料一直备受人们的关注，在信息存储、光调制器、太阳能电池、光电探测器等方面有着重要的应用。 本文采用反应磁控溅射法制备纳米VO_X薄膜及“三明治”结构W掺杂VO_X薄膜。借助多种现代分析测试方法对薄膜的组分、结晶状态、表面形貌、分子结构等进行表征，研究制备工艺条件对薄膜微观结构、电学及光学性质的影响。此外还深入研究了纳米VO_X薄膜暴露在空气过程中表面组分、电学、光学性质的变化规律。以实验结果为依据，结合相关理论，深入分析讨论了薄膜宏观物理性质与微观结构之间的关系。论文包括的主要内容及相关重要结论如下： 采用磁控溅射及原位退火氧化的“两步法”制备了相变型纳米VO_X薄膜。退火前薄膜为非晶态。经过退火处理后薄膜表面颗粒轮廓变清晰，表面粗糙度、V离子的平均价态明显增大，薄膜整体V-O单键减少，V=O双键增多。发现存在氧缺位带隙能级的纳米VO_X薄膜具有两个光吸收区，其中较弱的位于可见光波段的光吸收归因于氧缺位带隙能级。 采用椭圆偏振技术深入研究了相变型纳米VO_X薄膜的光学性质。通过比较Brendel-Bormann（BB）振子模型与Lorentz振子模型对实测ψ、Δ值的拟合结果发现，BB振子模型更准确地描述纳米VO_X薄膜的光学性质，用BB振子模型测量得到的薄膜厚度与扫描电镜断面观测到的结果一致。 分别通过改变衬底温度、反应氧分压对相变型纳米VO_X薄膜平均颗粒尺寸进行控制，研究相应VO_2晶粒平均尺寸、电学、光学性质的变化规律。 毋需退火，在高反应氧分压工艺条件下溅射钒靶制备纳米V2O5-X薄膜。研究结果表明随着衬底温度的升高，薄膜组分变化不大，颗粒形状变化显著，颗粒平均尺寸增大，薄膜分子结构变得紧致。分析认为纳米V_2O_(5-X)薄膜的分子结构紧致程度是影响其电学、光学性质的主要因素。 研究长时间暴露空气过程中相变型纳米VO_X薄膜物理性质的变化规律。O_2对低价V离子的氧化是薄膜阻值增大的直接原因，但同时H2O会与V5+反应生成V4+–H+、V4+–OH，起到避免全部低价V离子被O原子氧化的作用，使薄膜阻值增大最终趋向饱和。O_2、H-2O引起的薄膜分子结构变化导致热滞回线形状发生改变。由于O_2、H2O对薄膜的作用主要发生在薄膜表面，薄膜整体的光透过率、光学常数变化幅度较小。 首次采用VO_X/W/VO_X、VO_X/WO_y/VO_X“三明治”复合薄膜结构制备W掺杂VOX薄膜。通过改变W或WOy中间层的沉积时间、退火时间来改变退火过程中薄膜W原子的扩散浓度，进而改变薄膜的微观结构、电学、光学性质。O_2/Ar对VO_X/WO_y/VO_X薄膜薄膜的电学和光学性能影响显著，随着O_2/Ar的增大，薄膜的方阻值及光学带隙均逐渐增大。当O_2/Ar≥4.4/100或O_2/Ar≤1/100时，薄膜的相变现象消失。