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二氧化钒薄膜瞬态热学性质研究

康志鹏  
【摘要】:二氧化钒(vanadium dioxide,VO_2)是一种性能优异的相变材料,具有最接近室温的绝缘相-金属相的相变(metal-insulator transition,MIT)温度,伴随着相的改变,它的热学性质、光学性质、电学性质以及磁学性质都会出现巨大的变化,因此VO_2材料具有极大的潜在应用价值,可以被广泛应用于热致开关、光致开关和能量信息储存等微电子器件领域。然而目前微电子产品的发展向着更加轻便、微小、高性能的方向快步前进,随之而来的就是器件的功耗问题,因此材料的热学性质尤其是最接近实际使用情况的瞬态热学性质的研究具有非常重大的意义。但是在过去的几十年中,VO_2薄膜在相变过程中的光学特性、磁学特性、电学特性乃至电子迁移等特性都有了详细而深入地研究,而对于VO_2薄膜在相变前后的热学性质,如瞬态热扩散曲线的测试及研究,则鲜有报道。这在一定程度上限制了VO_2薄膜在热学领域的应用和发展。目前来看,应用于微纳米尺度下材料的热学性质的测试方法主要有接触式和非接触式两种。接触式测量法分为周期加热法、3ω法、悬空热导法和短线法四种;非接触测量法分为闪光法、光热反射法和光声法三种。但是这些方法并不能获得材料的瞬态热扩散曲线并求解出精确的热导率,对于材料的瞬态热学性质的研究造成了极大局限性。针对以上问题,本课题采用实验和仿真相结合的方法来研究VO_2薄膜的瞬态热学性质。为此,本工作首先通过使用高分子辅助沉积(polymer assisterd deposition,PAD)法制备了四组不同厚度的高质量VO_2薄膜样品,并对样品在不同温度下的光学性质进行了测量,得到了透射率和反射率随温度变化的曲线。通过四组VO_2薄膜样品的电阻-温度(Resistance-Temperature,R-T)曲线测试、Raman测试及XRD测试,对不同厚度的VO_2薄膜的晶体中的电子间相互作用、晶格形变及晶格中的缺陷进行了深入分析。接下来通过使用NanoTR热分析系统对四组VO_2薄膜样品的瞬态热扩散曲线进行了测试和分析,得到了VO_2薄膜在297K-353K范围内的热扩散曲线及其变化情况,并通过热分析软件拟合得到了四组样品在相变前后的热导率。最后通过使用ANSYS有限元分析软件,建立了VO_2薄膜的双层瞬态热传导简化模型,并在使用标准样品对该模型进行校验后,对四组不同厚度的VO_2薄膜在297K及353K温度下的热扩散曲线进行了仿真。通过对比实验和仿真数据,得到了VO_2薄膜在相变前后更为精确的热导率及其变化情况。在对由薄膜厚度不同引起VO_2薄膜热导率的变化的研究中,结合晶体中的热传导机理,对VO_2薄膜中的电子-电子热传导、声子-声子热传导及声子散射作用进行了分析,排除了界面接触热阻的影响,证实了薄膜厚度对晶格形变的影响从而导致VO_2薄膜热导率发生变化的推断。


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