CN103981500A - 一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构 - Google Patents

一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，包括：以三氧化二铝为基底，在基底的一半面积上排列了一层二氧化硅纳米球，另一半不排球，接着在整片基底上沉积有一层二氧化钒薄膜。与传统的单一二氧化钒薄膜结构(相变幅度为1-2个数量级)相比，本发明制备的可提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构(相变幅度为2-3个数量级)，可以显著提高二氧化钒薄膜的相变幅度且操作工艺简单可重复性高。

Description

一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构。
背景技术
二氧化钒是一种具有热致半导体—金属相变特性的材料，相变温度为68℃且相变具有可逆性。当温度低于68℃时，二氧化钒为单斜金红石结构(半导体态)；当温度高于68℃时，二氧化钒为四方金红石结构(金属态)。通常情况下，由于块状二氧化钒在多次相变后容易发生断裂，应用中一般将二氧化钒制备成延展性较好的薄膜以克服这一不利影响。在相变过程中，二氧化钒薄膜不仅在电学性质上发生改变其光学性质也发生了巨大的变化。在相变温度点附近，二氧化钒薄膜在红外光区域的光学透射性能发生可逆性突变,出现明显的开-关两种状态,因此可作为热光开关和智能窗等光学器件的理想光学功能材料.为了实现在上述领域中更好的应用，二氧化钒薄膜应具备以下两个条件:(1)在半导体态具有高的透射率；(2)转换效率高,即低温态和高温态之间转变时,透射率改变量大。高相变幅度的二氧化钒薄膜透射率改变量大，因此对于提高上述器件的灵敏度有重要作用。由此可知，提高二氧化钒薄膜的相变幅度至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，克服现有技术中二氧化钒薄膜的相变幅度不够高，应用范围不够广的问题。
本发明的技术方案是：
一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，所述可提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构包括：以三氧化二铝为基底，在基底的一半面积上排列了一层二氧化硅纳米球，另一半不排球，接着在整片基底上沉积有一层二氧化钒薄膜。
一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，由如下方法制成：
(1)清洗三氧化二铝基片和载波片；
把三氧化二铝基片和载波片依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗20-30分钟；将三氧化二铝基片用去离子水洗净，放入无水乙醇中备用；载波片冲洗后放入先前配制好的10-15％十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24h以上，作为引流片备用；
(2)提拉单层二氧化硅纳米球：
在一半面积的三氧化二铝基片上，采用提拉镀膜的方法均匀排列一层二氧化硅纳米球，另一半不做处理；二氧化硅纳米球浸泡在无水乙醇中存放，使用时通过移液枪将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜插入去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球薄膜，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为80-180μm/min；
(3)磁控溅射金属钒薄膜：
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，在上述步骤(2)中整片三氧化二铝基片上沉积一层金属钒薄膜；所用靶材为质量纯度为99.99％的金属钒，抽本体真空至(3.0-4.0)×10-4pa；通入氩气作为工作气体，流量为40-50sccm；工作压强为2.0-3.0pa时开始溅射，溅射时间为10-30分钟；
(4)快速热处理形成二氧化钒薄膜；
将步骤(3)中得到的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为400-480℃，升温速率为40-50℃/s，保温时间为120-180s，降温时间100-120s，反应气体为氧气，升温和保温时氧气流量为3-4slpm,降温时氧气流量为10slpm,将金属钒薄膜氧化成二氧化钒薄膜。
本发明的优点是：
1.本发明制备的表面微结构中二氧化钒薄膜颗粒尺寸在纳米数量级，制备方法较为简单，所需控制的工艺条件较少，且易于控制。
2.本发明将二氧化硅纳米球阵列和二氧化钒薄膜相结合，形成一种表面微结构，此微结构中的二氧化钒薄膜与同一制备条件下单一二氧化钒薄膜相比，相变幅度至少提高一个数量级，因而在以后的实际应用中，可以较大程度的提高器件的灵敏度。
附图说明
图1是本次发明中提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构的示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是单层二氧化硅球薄膜的扫描电子显微镜照片；
图4是实施例1中样品的X射线衍射图；
图5是实施例1中薄膜部分(未排球部分)的方块电阻随温度变化的曲线图；
图6是实施例2中薄膜部分(未排球部分)的方块电阻随温度变化的曲线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
实施例1
1)三氧化二铝基片和载波片的清洗：
把三氧化二铝基片(1cm×1cm)和载波片(2cm×1cm)依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗20分钟；将三氧化二铝基片用去离子水洗净，放入无水乙醇中备用；载波片冲洗后放入先前配制好的10％十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中浸泡24h，作为引流片备用；
2)提拉单层二氧化硅纳米球：
在一半面积的三氧化二铝基片上，采用提拉镀膜的方法均匀排列一层二氧化硅纳米球，另一半不做处理；二氧化硅球直径600nm，浸泡在无水乙醇中存放，使用时通过移液枪将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜插入去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球薄膜，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为100μm/min，单层二氧化硅球薄膜的表面形貌如图3；
3)磁控溅射金属钒薄膜：
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，将步骤2)中清洗好的基片置于真空室，抽本体真空至3.8×10-4pa。通入氩气，流量为46sccm；调节工作压强至3.0pa时开始溅射，溅射时间为10分钟；氩气的质量纯度为99.99％，沉积金属钒薄膜采用超高真空对靶磁控溅射设备。
4)快速热处理形成二氧化钒薄膜：
将步骤3)中的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为450℃，升温速率为50℃/s，保温时间130s，降温时间120s，通入氧气作为反应气体，氧气的质量纯度为99.999％，升温以及保温时氧气流量为3.2slpm，降温时保护气体为10slpm；所得样品的X射线衍射图，如图4；
5)测试该样品薄膜部分(未排球部分)在不同温度下的方块电阻，如图5；
由实施例1所制备的表面微结构的薄膜部分，在升温过程中，样品表面温度为20.7℃时，方块电阻为399.3kΩ,样品表面温度为77.8℃时，方块电阻为0.383kΩ，电阻变化倍数为1042.56；在降温过程中，样品表面温度为80.2℃时，方块电阻为0.353kΩ,样品表面温度为23.6℃时，方块电阻为319.9kΩ，电阻变化倍数为906.23，薄膜的相变幅度为三个数量级。
实施例2
1)三氧化二铝基片和载波片的清洗：
把三氧化二铝基片(1cm×1cm)和载波片(2cm×1cm)依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗20分钟；将三氧化二铝基片用去离子水洗净，放入无水乙醇中备用；载波片冲洗后放入先前配制好的10％十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中浸泡24h，作为引流片备用；
2)提拉单层二氧化硅纳米球：
在一半面积的三氧化二铝基片上，采用提拉镀膜的方法均匀排列一层二氧化硅纳米球，另一半不做处理；二氧化硅球直径600nm，浸泡在无水乙醇中存放，使用时通过移液枪将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜插入去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球薄膜，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为100μm/min；
3)磁控溅射金属钒薄膜：
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，将步骤2)中清洗好的基片置于真空室，抽本体真空至4.0×10-4pa。通入氩气，流量为48sccm；调节工作压强至2.0pa时开始溅射，溅射时间为10分钟；氩气的质量纯度为99.99％，沉积金属钒薄膜采用超高真空对靶磁控溅射设备。
4)快速热处理形成二氧化钒薄膜：
将步骤3)中的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为450℃，升温速率为50℃/s，保温时间150s，降温时间120s通入氧气作为反应气体，氧气的质量纯度为99.999％，升温以及保温时氧气流量为3slpm，降温时保护气体为10slpm；
5)测试该样品薄膜部分(未排球部分)在不同温度下的方块电阻，如图6；
由实施例2所制备的表面微结构的薄膜部分，在升温过程中，样品表面温度为19.5℃时，方块电阻为370.2kΩ,样品表面温度为80.1℃时，方块电阻为0.783kΩ，电阻变化倍数为472.8；在降温过程中，样品表面温度为82.4℃时，方块电阻为1.072kΩ,样品表面温度为22.6℃时，方块电阻为365.5kΩ，电阻变化倍数为340.95，薄膜的相变幅度为两个多数量级。
由上述两个实例可知，与传统的单一二氧化钒薄膜结构(相变幅度为1-2个数量级)相比，本发明制备的可提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构(相变幅度为2-3个数量级)，可以显著提高二氧化钒薄膜的相变幅度且操作工艺简单可重复性高。

Claims (6)

1.一种提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，所述可提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构包括：以三氧化二铝为基底，在基底的一半面积上排列了一层二氧化硅纳米球，另一半不排球，接着在整片基底上沉积有一层二氧化钒薄膜。 
2.根据权利要求1所述的提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，由如下方法制成： 
(1)清洗三氧化二铝基片和载波片； 
(2)提拉单层二氧化硅纳米球： 
在一半面积的三氧化二铝基片上，采用提拉镀膜的方法均匀排列一层二氧化硅纳米球，另一半不做处理； 
(3)磁控溅射金属钒薄膜： 
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，在上述步骤(2)中整片三氧化二铝基片上沉积一层金属钒薄膜； 
(4)快速热处理形成二氧化钒薄膜。 
3.根据权利要求2所述的提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，所述步骤 
(1)三氧化二铝基片和载波片的清洗是指把三氧化二铝基片和载波片依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗20-30分钟；将三氧化二铝基片用去离子水洗净，放入无水乙醇中备用；载波片冲洗后放入先前配制好的10-15％十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24h以上，作为引流片备用。 
4.根据权利要求2所述的提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，所述步骤 
(2)中二氧化硅纳米球浸泡在无水乙醇中存放，使用时通过移液枪将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜插入去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球薄膜，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为80-180μm/min。 
5.根据权利要求2所述的提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，所述步骤 
(3)中所用靶材为质量纯度为99.99％的金属钒，抽本体真空至(3.0-4.0)×10-4pa；通入氩气作为工作气体，流量为40-50sccm；工作压强为2.0-3.0pa时开始溅射，溅射时间为10-30分钟。 
6.根据权利要求2所述的提高二氧化钒薄膜相变幅度的表面微结构，其特征在于，所述步骤 
(4)快速热处理是指将步骤(3)中得到的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为400-480℃，升温速率为40-50℃/s，保温时间为120-180s，降温时间100-120s，反应气体为氧气，升温和保温时氧气流量为3-4slpm,降温时氧气流量为10slpm,将金属钒薄膜氧化成二氧化钒薄膜。 
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