CN112011775A - 应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法 - Google Patents

应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材，采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射，制备掺钽氧化钒薄膜；(2)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜；本发明的有益效果为：本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜用高纯金属钒靶以及高纯金属钽片贴片掺杂的方式制备，工艺简单；所得氧化钒薄膜具有极窄回线宽度，有效降低了氧化钒薄膜的相变温度，且通过钽元素掺杂可以较好地保持氧化钒薄膜在THz波段的调制幅度。

Description

应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法。
背景技术
太赫兹波(THz)波是指频率介于0.1～10THz的亚毫米电磁波，其介于微波和红外之间，兼具毫米波和红外光波的特征，具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性、强穿透性和易被极性分子吸收等独特性能。THz波段因其独特性能，在通信(宽带通信)、雷达、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、工业无损检测、安全检查(生化物的检查)、环境检测、化学分析和军事等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。由于现代社会对无线通信的需求越来越迫切，要实现太赫兹高速、宽带通信，最为关键的器件是太赫兹调制器件。
自1959年F.J.Morin发现二氧化钒(VO2)在温度达到68℃左右时可以发生从低温半导体相到高温金属相的转变，VO2便成为VOx相变家族中最受关注的材料。在相变前后，VO2的晶体结构从半导体的单斜晶系也相应转变为金属态的金红石四方晶系；其前后电阻率变化高达四个数量级；同时，在红外和太赫兹波段的透过率上也有着优越的光学开关特性。这些优异的特性，使得VO2能够在例如智能窗、信息存储、光调制器、激光防护、光存储，光调制等领域有着广泛的应用前景。其中，氧化钒薄膜在低温时为半导体相，使得THz波可以良好地透过；在高温时转变为金属相，THz波被薄膜反射，透过率较低，因而氧化钒薄膜成为可应用于THz波调制的热门材料。
由于二氧化钒的相变过程是一种可逆过程，这种相变在温度升高和温度降低的过程中表现出弛豫现象，即二氧化钒薄膜的升温相变温度和降温相变温度不同，其差值即为热滞回线宽度。热滞回线宽度的存在使得对于基于二氧化钒相变的设备对于温度等激励信号的响应迟滞，对其实际应用产生了极大的不利影响，因此降低二氧化钒薄膜的热滞回线宽度，对于改善二氧化钒温控薄膜的智能调节作用，提高对激励信号响应的灵敏度，以及提高光储能设备的存储效率等方面具有十分重要的意义。
除了外部热激励之外，如光照、电场等激励方式也可以驱使氧化钒薄膜发生相的转变。其中，氧化钒薄膜的热致相变简单易控，但其响应时间长，热滞回线较大，热致相变的弛豫时间为10－6s；而光激励和电场激励则有超快响应，在太赫兹调制器件领域更受关注。但目前在光照、电场激励氧化钒中仍存在一些需要解决的问题：如氧化钒的光激励相变速度极快，可在亚皮秒时间内完成，但光激励相变的恢复时间却相对较长。文章(Y.Zhang，S.Qiao，L.Sun，Q.Shi，W.Huang，L.Li，and Z.Yang.Photoinduced active terahertzmetamaterials with nanostructured vanadium dioxide film deposited by sol－gelmethod.Opt.Express 22，11070－11078(2014))中提到，在光激励氧化钒相变过程中，较长的恢复时间是由于光生载流子的散热和驰豫导致的。这是由于在光激励氧化钒薄膜相变过程中，除了电子非辐射跃迁释放热能外，光生载流子的非辐射复合也会产生热能，其温度升高从而伴随局部热致相变，而热致相变存在较宽的热致回线导致响应时间、恢复时间较长，进而导致调制器件的调制速率下降。同样地，中国专利CN109031707A中提到电触发相变时弛豫时间约为2×10－9s。在文章(D.Gu，H.Qin，X.Zhou，S.Xu，Y.Jiang Investigation onelectrically－driven semiconductor－meta ltransition of polycrystallineVO2thin films on two kinds of substrates.A IP A dv.，8(2018)，Article 015317)中，提到在电激励氧化钒薄膜相变过程中，电流的焦耳热效应在激励氧化钒相变中起到重要作用。其中因焦耳热效应促使其电激励过程中发生热致相变，热致相变产生的宽热滞回线导致电激励相变过程中也有较长的恢复时间。因此，为了实现调制器件更高的调制速率，需要解决基于氧化钒薄膜的调制器件中因热致相变引起的宽热滞回线问题。如果能够将热致相变过程中产生的热致回线降低到极窄，则器件的恢复时间接近于触发响应时间，即降低了激励氧化钒相变的驰豫时间，从而大幅提高调制器件的调制速率。
一般来说，氧化钒薄膜的热滞回线宽度区间在10－50℃。目前已有不少工作研究调控氧化钒薄膜的热滞回线宽度。中国专利CN104962869A公开了一种掺杂复合镶嵌结构的智能节能薄膜及其制备方法，表明掺杂可以降低薄膜的回线宽度，但专利中并未具体提及回线宽度的数值；中国专利CN108588661A公开了一种采用低价钒种子层优化氧化钒薄膜性能的方法，可将回线宽度最低降至2.56℃。然而，现有的对于氧化钒薄膜在太赫兹(THz)波段的研究主要集中于纯氧化钒薄膜的制备和超材料应用中，掺杂对氧化钒薄膜的相变性能进行调控还是不能达到令人满意的性能。如锗元素掺杂提高了氧化钒薄膜的THz调制幅度，但相变温度高达78℃，回线宽度也较宽，大于3℃；如铌元素掺杂将THz调制幅度保持在62.5％，但回线宽度仍为4.8℃；钨元素掺杂将THz调制幅度保持在59％，回线宽度为7.8℃。因此，为了更好地将氧化钒薄膜应用于THz波段调制，需要解决的难题是将VO2薄膜的相变特性调控为：在保持良好的THz调制幅度的条件下，有极窄的回线宽度和较低的相变温度。
目前常用的制备氧化钒薄膜方法主要有磁控溅射法、脉冲激光沉积、化学气相沉积法、分子束外延以及等溶胶凝胶法等。磁控溅射法具有沉积速率快、薄膜与衬底之间附着力大、均匀性好和厚度易于控制等优点，是制备氧化钒薄膜的理想方法，但纯氧化钒薄膜的热致回线宽度在15度左右，严重影响调制器件的灵敏度和调制速率。
发明内容
本申请的主要目的在于针对现有技术中的不足，提供一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材，采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射，制备掺钽氧化钒薄膜；
(2)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜。
为制备具有极窄热滞回线宽度、并较好地保持THz波调制幅度的硅基氧化钒薄膜，更好地应用于太赫兹波段调制器件。本发明主要研究采用直流反应磁控溅射技术，利用钽元素掺杂来调控二氧化钒薄膜的包括热滞回线宽度、THz波段调制幅度和相变温度等相变性能。
本发明以金属钒为靶材，利用贴片法将钽片附于钒靶上，通过低温沉积以及高温富氧气氛退火，进而调控二氧化钒薄膜的相变性能，以解决现有制备氧化钒薄膜技术中存在着不能兼顾缩窄回线宽度和保持良好的THz波调制性能的难题。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(1)中，掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为1.5－3：100，优选地，金属钽片的纯度≥99.99％，金属钒靶的纯度≥99.99％。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
预溅射阶段：溅射前调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，基片温度为59－61℃，在此温度下预热55－65min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射；
溅射阶段：待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.0－1.5Pa的条件下进行正式溅射。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，所述基片为高阻硅，优选地，基片表面清洗干净后，再放入磁控溅射镀膜仪腔室内；将基片放入丙酮中超声处理除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声处理除去残留丙酮，更优选地，基片放入腔室前用高压氮气吹干。进一步优选地，基片放入丙酮中超声处理的时间为20－30min，在无水乙醇中超声处理的时间为20－30min。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，预溅射的温度为60－62℃，预溅射过程中氩气的流量为98－100sccm，溅射电流为0.34－0.36A，溅射时间为20－30min。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，溅射的温度为60－62℃，溅射过程中氩气的流量为98－100sccm、氧气的流量为1－2sccm，溅射电流为0.34－0.36A，溅射时间为40－45min。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(2)中，高温退火的温度为400－450℃，在此温度下退火的时间为25－30min。
上述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(2)中，退火过程中，通入的氧气流量为13－17sccm。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜用高纯金属钒靶以及高纯金属钽片贴片掺杂的方式制备，工艺简单；所得氧化钒薄膜具有极窄回线宽度，有效降低了氧化钒薄膜的相变温度，且通过钽元素掺杂可以保持氧化钒薄膜在THz波段的调制幅度。
附图说明
图1为本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例3和对比例1所得氧化钒薄膜的方阻－温度曲线图；
图3为本发明实施例3和对比例1所得氧化钒薄膜的THz波段的透过率－温度曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合案例对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，采用直流反应磁控溅射技术，利用钽元素掺杂来调控二氧化钒薄膜的包括热滞回线宽度、THz波段调制幅度和相变温度等相变性能；使所得氧化钒薄膜具有极窄的回线宽度，能有效降低氧化钒薄膜的相变温度，解决现有制备氧化钒薄膜技术中存在着不能兼顾缩窄回线宽度和保持良好的THz波调制幅度的难题。
从图1和图2中可以看出，与纯氧化钒薄膜对比，本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜在电学上的热滞回线更窄；
与纯氧化钒薄膜对比，本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜在太赫兹波段处透过率－温度曲线的热滞回线更窄，且调制幅度保持地较好。
实施例1
实施例1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用高阻硅基片，将高阻硅放入丙酮中超声30min，除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声30min，除去残留丙酮，最后放入无水乙醇中保存，使用前用高压氮气吹干；
(2)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材(利用贴片法将钽片附于钒靶上)，掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为1：100，所选用金属钽片的纯度为99.99％、金属钒靶的纯度为99.99％；采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射；
溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，高阻硅基片温度为59℃，并在此温度下预热65min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射，预溅射的温度为60℃，预溅射过程中氩气的流量为98sccm，溅射电流为0.36A，在此条件下预溅射时间为30min；
待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.0Pa的条件下进行正式溅射，正式溅射的温度为60℃，溅射过程中氩气的流量为98sccm、氧气的流量为2sccm，溅射电流为0.36A，在此条件下溅射时间为45min；
(3)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理，高温退火的温度为400℃，退火过程中，通入的氧气流量为13sccm，在此条件下退火30min得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜。
实施例2
实施例2所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用高阻硅基片，将高阻硅放入丙酮中超声30min，除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声30min，除去残留丙酮，最后放入无水乙醇中保存，使用前用高压氮气吹干；
(2)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材(利用贴片法将钽片附于钒靶上)，掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为1.5：100，所选用金属钽片的纯度为99.99％、金属钒靶的纯度为99.99％；采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射；
溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，高阻硅基片温度为60℃，并在此温度下预热60min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射，预溅射的温度为60℃，预溅射过程中氩气的流量为98sccm，溅射电流为0.34A，在此条件下预溅射时间为25min；
待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.2Pa的条件下进行正式溅射，正式溅射的温度为61℃，溅射过程中氩气的流量为98sccm、氧气的流量为1.5sccm，溅射电流为0.35A，在此条件下溅射时间为40min；
(3)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理，高温退火的温度为400℃，退火过程中，通入的氧气流量为15sccm，在此条件下退火25min得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜。
实施例3
实施例3所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用高阻硅基片，将高阻硅放入丙酮中超声30min，除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声30min，除去残留丙酮，最后放入无水乙醇中保存，使用前用高压氮气吹干；
(2)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材(利用贴片法将钽片附于钒靶上)，掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为3：100，所选用金属钽片的纯度为99.99％、金属钒靶的纯度为99.99％；采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射；
溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，高阻硅基片温度为61℃，并在此温度下预热55min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射，预溅射的温度为62℃，预溅射过程中氩气的流量为100sccm，溅射电流为0.34A，在此条件下预溅射时间为20min；
待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.5Pa的条件下进行正式溅射，正式溅射的温度为62℃，溅射过程中氩气的流量为100sccm、氧气的流量为2sccm，溅射电流为0.34A，在此条件下溅射时间为40min；
(3)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理，高温退火的温度为450℃，退火过程中，通入的氧气流量为17sccm，在此条件下退火25min得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜。
对比例1
对比例1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用高阻硅基片，将高阻硅放入丙酮中超声30min，除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声30min，除去残留丙酮，最后放入无水乙醇中保存，使用前用高压氮气吹干；
(2)以金属钒靶为靶材，金属钒靶的纯度为99.99％；采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射；
溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，高阻硅基片温度为61℃，并在此温度下预热55min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射，预溅射的温度为62℃，预溅射过程中氩气的流量为100sccm，溅射电流为0.34A，在此条件下预溅射时间为20min；
待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.5Pa的条件下进行正式溅射，正式溅射的温度为62℃，溅射过程中氩气的流量为100sccm、氧气的流量为2sccm，溅射电流为0.34A，在此条件下溅射时间为40min；
(3)将氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理，高温退火的温度为450℃，退火过程中，通入的氧气流量为17sccm，在此条件下退火25min得氧化钒薄膜。
1、本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜的光学性能研究
通过傅里叶红外光谱仪测得所述氧化钒薄膜于11.4THz处光学相变性能如表1所示：
表1所述氧化钒薄膜于11.4THz处光学相变性能
升温相变温度 降温相变温度 相变温度 热致回线宽度/℃
实施例1 56.5℃ 48.3℃ 52.4℃ 8.2
实施例2 43.17℃ 41.03℃ 42.1℃ 2.14
实施例3 38.1℃ 37.07℃ 37.5℃ 1.03
对比例1 68.18℃ 53.2℃ 60.7℃ 15
由表1可知，所述实施例3中掺入金属钽元素的氧化钒薄膜在光学相变性能上被调控为：具有1.03℃的极窄热致回线宽度；相变温度降低到37.5℃，更接近室温，低相变温度意味着触发相变时需要更少的能量。说明通过钽元素掺杂制备的氧化钒薄膜更适合应用于调制器件。
2、本发明所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法所得氧化钒薄膜在太赫兹/远红外波段的调制幅度性能如表2所示。
表2所述氧化钒薄膜于太赫兹/远红外波段的调制幅度
Figure BDA0002654850580000101
Figure BDA0002654850580000111
由表2可知：5.76－6.24THz波段，平均调制幅度从未掺杂氧化钒的80.5％降低到73％；7.02－7.32THz波段，平均调制幅度从未掺杂氧化钒薄膜的69.6％降低到63％；10.98－11.76THz波段，平均调制幅度从未掺杂氧化钒薄膜的67.9％降低到64.2％。说明钽元素掺杂可以较好地保持太赫兹/远红外波段的调制幅度，使得氧化钒薄膜较好地应用于太赫兹波段调制。
由表1和表2可知，钽元素掺入后大幅度地的缩窄了氧化钒薄膜的回线宽度，并较好地保持了薄膜在THz波段的调制幅度，同时有效地降低了薄膜的相变温度，使得薄膜在THz波段调制方面更有应用前景，且掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为3：100时，效果最好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以附有金属钽片的金属钒靶为复合靶材，采用直流反应磁控溅射对基片进行溅射，制备掺钽氧化钒薄膜；
(2)将掺钽氧化钒薄膜在富氧气氛下进行高温退火处理得应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，掺钽氧化钒薄膜中钽离子与钒离子的掺杂摩尔比为1.5－3：100，优选地，金属钽片的纯度≥99.99％，金属钒靶的纯度≥99.99％。
3.根据权利要求1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，溅射分两个阶段：预溅射阶段和溅射阶段；
预溅射阶段：调整磁控溅射镀膜仪腔室内的真空度＜1.9×10－3Pa，基片温度为59－61℃，在此温度下预热55－65min；保证基片以30rpm的速度匀速旋转的条件下，充入氩气进行预溅射；
溅射阶段：待预溅射完毕，充入氩气和氧气的混合气体，待腔室气压稳定后，保证基片以30rpm的旋转速度匀速旋转，在磁控溅射镀膜仪腔室内的气压为1.0－1.5Pa的条件下进行正式溅射。
4.根据权利要求3所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，所述基片为高阻硅，优选地，基片表面清洗干净后，再放入磁控溅射镀膜仪腔室内；将基片放入丙酮中超声处理除去表面杂质，再放入无水乙醇中超声处理除去残留丙酮，更优选地，基片放入腔室前用高压氮气吹干。
5.根据权利要求3所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，预溅射的温度为60－62℃，预溅射过程中氩气的流量为98－100sccm，溅射电流为0.34－0.36A，溅射时间为20－30min。
6.根据权利要求3所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，溅射的温度为60－62℃，溅射过程中氩气的流量为98－100sccm、氧气的流量为1－2sccm，溅射电流为0.34－0.36A，溅射时间为40－45min。
7.根据权利要求1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高温退火的温度为400－450℃，在此温度下退火的时间为25－30min。
8.根据权利要求1所述一种应用于THz调制的极窄热滞回线氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，退火过程中，通入的氧气流量为13－17sccm。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104032278A (zh) * 2014-06-12 2014-09-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种二氧化钒薄膜制备方法
WO2016033194A1 (en) * 2014-08-26 2016-03-03 The Research Foundation For The State University Of New York Vo2 and v2o5 nano-and micro-materials and processes of making and uses of same
CN105624629A (zh) * 2016-03-26 2016-06-01 上海大学 一种高价金属阳离子掺杂制备的b相vo2热敏薄膜及其制备方法
CN104261694B (zh) * 2014-09-11 2017-10-27 李金华 一种红外透过率自动调节智能玻璃的产业化制备方法
CN109031707A (zh) * 2018-08-22 2018-12-18 电子科技大学 一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器及其调控方法
CN110158034A (zh) * 2019-05-10 2019-08-23 中国科学院上海技术物理研究所 一种多靶共溅射制备不同成分和掺杂比薄膜的方法
WO2020028343A1 (en) * 2018-07-31 2020-02-06 Applied Materials, Inc. Physical vapor deposition of doped transition metal oxide and post-deposition treatment thereof for non-volatile memory applications

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104032278A (zh) * 2014-06-12 2014-09-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种二氧化钒薄膜制备方法
WO2016033194A1 (en) * 2014-08-26 2016-03-03 The Research Foundation For The State University Of New York Vo2 and v2o5 nano-and micro-materials and processes of making and uses of same
CN104261694B (zh) * 2014-09-11 2017-10-27 李金华 一种红外透过率自动调节智能玻璃的产业化制备方法
CN105624629A (zh) * 2016-03-26 2016-06-01 上海大学 一种高价金属阳离子掺杂制备的b相vo2热敏薄膜及其制备方法
WO2020028343A1 (en) * 2018-07-31 2020-02-06 Applied Materials, Inc. Physical vapor deposition of doped transition metal oxide and post-deposition treatment thereof for non-volatile memory applications
CN109031707A (zh) * 2018-08-22 2018-12-18 电子科技大学 一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器及其调控方法
CN110158034A (zh) * 2019-05-10 2019-08-23 中国科学院上海技术物理研究所 一种多靶共溅射制备不同成分和掺杂比薄膜的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANGYING HUANG ZHIMING WU: "Improvement of phase transition properties of magnetron sputtered", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE: MATERIALS IN ELECTRONICS》 *
赵蒙等: "Ta掺杂VO2多晶薄膜的相变特性", 《江苏工业学院学报》 *

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