CN102912308B - 一种低相变温度二氧化钒薄膜制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低相变温度二氧化钒薄膜的制备工艺。具体为采用直流反应磁控溅射技术，以非掺杂的金属钒为靶材，衬底为K9玻璃、硅片或其他类型材料，以高纯氧气和氩气为反应气体和溅射气体。首先将真空室抽至1.0～8.0×10-4Pa本底真空，然后通入一定量的氧气和氩气，使氧分压为（6-12％），工作真空为0.5Pa，在一定衬底温度下溅射V靶在衬底形成薄膜，溅射功率为100-140W，将沉积在衬底表面的膜冷却到室温，然后在400～600°C Ar气氛下进行热处理100-120分钟，生成高质量低相变温度的二氧化钒薄膜。该发明具有不掺杂、工艺简单、二氧化钒薄膜相变温度低、及相变点可调节的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化钒薄膜的制备工艺，具体说，是一种通过非掺杂的反应磁控溅射沉积低相变温度二氧化钒薄膜的简易制备工艺方法。属于功能薄膜技术领域。
技术背景
二氧化钒(VO2)是一种过渡金属氧化物，纯的VO2具有在68°C左右从半导体态向金属态转变的特性。VO2薄膜在相变前后的可见光变化较小，而红外光透射率会发生较大幅度的变化。低于68°C时，晶体结构是单斜型，呈半导体态，有较高的红外透射率，当高于68°C时转变为金红石相，呈金属态，对红外有较高的反射率。太阳光的能量9％分布在0.2～0.38μm的紫外光区，45％分布在0.38～0.78μm的可见光区，49％分布在0.78～2.5μm的近红外区，在0.2～2.5μm的波长范围占了98％的能量。若使VO2薄膜相变点降到室温左右，可将其用作智能窗材料。当冬天温度低于相变点时，红外光能透过VO2薄膜使室内温度升高，当夏天温度升高到相变点以上时，VO2发生相变使红外光的透过率降低，室内温度降低，实现冬暖夏凉的效果，如此循环往复可实现对室内温度的智能化控制，实现对太阳能的绿色使用。在夏天使用这种智能窗可以节约电能约30％，用在车窗上则可节约燃料，因此这对于减轻能源紧张压力、建设资源节约型社会具有非常重要的意义。
为了实现VO2薄膜在智能窗上的应用，研究者们将努力制备低相变温度的二氧化钒薄膜，使其相变温度接近室温。传统的方法是通过高价态金属掺杂（如W、Mo等）和非金属掺杂可有效地把二氧化钒的相变温度从68°C降低至室温附近，由此形成了将二氧化钒薄膜应用于智能玻璃的构想。
本发明介绍了一种不用掺杂，直接应用纯金属钒为原材料，通过反应磁控溅射和后退火技术制备低相变温度二氧化钒的方法，简化了传统二氧化钒薄膜的制备工艺，在实际中有广阔的应用前景。
发明内容
为了制备低相变温度二氧化钒薄膜，本发明的目的在于提供一种工艺简单的高质量低相变温度的二氧化钒薄膜制备工艺，制备工艺采用反应磁控溅射技术和热退火技术。磁控溅射是通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法，反应磁控溅射是在磁控溅射过程中以金属为靶材通过通入活性气体和溅射出的金属原子反应制备化合物薄膜的方法。热退火在薄膜沉积后，将薄膜样品在一定的温度和一定的气氛下对薄膜样品进行的改性处理。
为了实现上述目的，本发明的技术方案具体为：采用反应磁控溅射技术，以非掺杂的金属钒为靶材，衬底为K9或其他类型玻璃，以高纯氧气和氩气为反应气体和溅射气体。首先将真空室抽至1.0～8.0×10-4Pa本底真空，然后通入一定量的氧气和氩气，使氧分压为6-12％，工作真空为0.5Pa，在200-500°C衬底温度下溅射V靶在衬底形成薄膜，溅射功率为120W，将沉积在衬底表面的膜冷却到室温，然后在400～600°C Ar气氛下进行热退火100-120分钟，生成高质量低相变温度的二氧化钒薄膜。
发明的优点：
1、采用非掺杂的金属钒为靶材，应用反应磁控溅射制备低相变温度二氧化钒薄膜，省略了制备掺杂钒合金靶的复杂过程，简化了工艺，降低了生产成本；
2、制备过程中不涉及对环境有污染的原材料；
3、根据二氧化钒薄膜在不同应用中对相变温度要求的不同，可以方便的通过氧分压等工艺参数调节相变温度；
4、本发明在智能窗、传感器等众多的领域有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1二氧化钒薄膜电学相变特性；
图2为本发明实施例2二氧化钒薄膜电学相变特性
具体实施方式
实施例1
二氧化钒薄膜的制备是采用直流反应磁控溅射，用纯度为99.99％的V靶溅射，衬底采用BK7玻璃，经过去离子水和酒精分别超声清洗5分钟。薄膜溅射沉积制备时的本底真空为1.0×10-4Pa，工作真空0.5Pa，沉积中直流电源功率为120W，以高纯O2气（99.99％）和Ar气（99.99％）分别为反应气体和溅射气体，氧分压为8％、衬底温度为400°C（该衬底温度在200-500°C可以调节）。将沉积在衬底表面的薄膜冷却到室温，然后在0.5Pa Ar背景气氛下进行热退火生长成高质量的膜。退火温度为500°C（退火温度在400-600°C可以调节），退火时间为120分钟。
所得制备二氧化钒薄膜样品的电阻率-温度关系见图1，由图可见，其相变温度约为41°C。
实施例2
与实施例1不同在于：
二氧化钒薄膜的制备是采用直流反应磁控溅射，用纯度为99.99％的V靶溅射，衬底采用BK7玻璃，经过去离子水和酒精分别超声清洗5分钟。薄膜溅射沉积时的本底真空为1.0×10-4Pa，工作真空0.5Pa。沉积中直流电源功率为120W，以高纯O2气（99.99％）和Ar气（99.99％）为反应气体和溅射气体，氧分压为6％，衬底温度为400°C。将沉积在衬底表面的薄膜冷却到室温；然后在0.5Pa Ar背景气氛下进行热退火生长成高质量的膜。退火温度为500°C，退火时间为120分钟。
所得制备二氧化钒薄膜样品的电阻率-温度关系见图2，由图可见，其相变温度约为37°C。
本发明采用非掺杂的金属钒为靶材，应用反应磁控溅射制备低相变温度二氧化钒薄膜，省略了制备掺杂钒合金靶的复杂过程，简化了工艺，降低了生产成本；制备过程中不涉及对环境有污染的原材料；根据二氧化钒薄膜在不同应用中对相变温度要求的不同，可以方便的通过氧分压等工艺参数调节相变温度；本发明在智能窗、传感器等众多的领域有广泛应用前景。
Claims (4)
1.一种低相变温度二氧化钒薄膜的制备工艺，其特征在于，该制备工艺采用传统的反应磁控溅射技术和热退火技术，其中在反应磁控溅射技术中以非掺杂的金属钒为靶材，衬底类型为玻璃、硅片或其他晶体材料，以高纯O2气和Ar气为反应气体和溅射气体；所述工艺的具体步骤是：首先将真空室抽至1.0～8.0×10‐4Pa本底真空，然后通入一定量的O2气和Ar气的混合气体，其中氧分压为6‐12%，工作真空为0.5Pa，在200‐500℃的衬底温度下溅射V靶在衬底形成薄膜，溅射功率为100‐140W，将沉积在衬底表面的膜冷却到室温，然后在400～600℃Ar气氛下进行热退火处理100‐120分钟，生成高质量低相变温度的二氧化钒薄膜,制得的二氧化钒薄膜的相变温度为36‐42℃。
2.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所用靶材是非掺杂的高纯钒靶。
3.按照权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，靶材的纯度为99.99%。
4.按照权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述热退火技术中的退火温度为500℃，退火时间为120分钟。
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