氧化钒材料及其在红外探测应用的研究..

1.溅射法
溅射是一种物理气相沉积（PVD）方法，由于溅射中淀积到衬底 上的原子能量大，生成的薄膜具有与沉底的粘附性好、致密均匀等优 点，在制备氧化钒薄膜中应用广泛。用溅射法制备的氧化钒，在室温 附近具有较高的负电阻温度系数，工艺温度低，与Si-CMOS工艺兼容 性也很好。 溅射方法主要有射频溅射、离子束溅射和PF磁控溅射。靶材一般 可采用纯度很高的V2O5或者金属钒。衬底可为玻璃，SiO2/Si以及蓝宝 石单晶等。基片的加热温度一般为室温到550℃，本体真空度优于103Pa，腔体内一般充氧气和Ar气等惰性气体。通过改变氧分压和沉积温 度，可制备不同组分的氧化钒薄膜。沉积速率与靶基距及溅射速率有 关。溅射生成氧化钒，其中往往含有钒的多种氧化物，如V2O5、 V2O3、VO2和VO等。可以适当控制工艺条件，并采用退火及激光烧结 等处理得到所需性能的氧化钒VOx薄膜。
VO2和V2O5的结构和特性
钒是一种过渡金属元素，活化能比较高，在 空气中金属钒可以和氧结合形成多种价态的 氧化物。自然界中，钒的价态可以从+2价到 +5价之间变化，已经发现的钒的氧化物有十 多种。
钒主要氧化物的性质比较
二氧化钒的结构
沿[011]方向堆叠的VO2的晶体结构
VO2在68℃附近发生由低温半导体态向高温金属态的 转变，结构由单斜金红石型转变为四方金红石型。
2.蒸发法
真空蒸发镀膜包括以下三种基本过程： （1）热蒸发过程。包括由凝聚相转变为气相的相变过程。每 种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物 时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸汽进入蒸 发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输，及这些粒 子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体 分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及蒸 发源到基片之间的距离，常称源—基距。 （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸汽凝 聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发 源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固 相的相转变。
国内外研究现状
国内：
20世纪90年代起，兰州物理研究所报道过VO2材料的制备方法研究，并利用 它们作为热致变色薄膜材料。电子科技大学和重庆光电研究所合作报道了它们 制备VO2膜的研究，主要用途为制作室温工作的红外传感器。华中科技大学光 电国家实验室九五期间在国家科技部和863计划支持下国内研制了一系列钒的 氧化物膜系，其中利用VO2 薄膜材料研制了室温工作的红外传感器，达到下列 技术指标：阵列规模：128 元线列；单元尺寸：50 ×50英寸；工作温度：室温； 电阻温度系数(TCR):2%；噪声等效温差(NETD)：200 /mk。 此外，利用VO2为基的材料在MOS开关晶体管的研究方面，已完成原理性试 验；在光开关的研究方面，已完成原理样片研究,并且基于光开关原理,研究了该 材料在强激光防护方面的应用,在近红外光(1.06μm)和远红外(10.6μm)波段进行 了抗强激光实验，测试结果表明：消光比为15左右，能量阈值为150 J/cm2，开 关时间不高于1 μs。
金红石结构是 体心正交平行六面体
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单斜结构体积是金红石 结构的两倍，可以看作 是两个金红石结构形变 而来
金红石结构：体心正交平行六面 体，体心和顶角由V4+离子占据， 每个V4+离子位于略微变形的正八 面体的中心，被六个O2-离子所包 围，钒原子明显地与一个氧原子 较为接近，而与其它氧原子的距 离较远。该结构中，V4+离子的配 位数是6，O2-离子的配位数是3。 每个原胞中包含4个O离子，2个V 离子。最近邻的钒原子间的距离 为287pm，钒原子中的电子为所 有的金属原子所共有。因此，它 是一种n型半导体。
单斜结构：体积是金红石结
构的两倍，可以看作是两个金 红石结构形变而来，但是在单 斜结构中，最近邻的钒原子间 的距离由287pm变为265pm， 在沿着氧八面体和相邻两个八 面体共边连接成长链的方向上 形成3V-V，钒原子间距离按 265pm和312pm的长度交替变 化，每个钒原子的d电子都定域 于这些V-V键上，结果造成了在 沿c轴方向上VO2不再具有金属 的导电性。
氧化钒材料及其在红外探测应用的研究
小组成员： 指导老师： 专业：光学工程
目录
摘要
红外探测器的发展方向是非制冷、低成 本、小型化。具有优异热敏性能的氧化钒薄 膜材料是红外探测器的首选热敏电阻材料。 合适的薄膜电阻值且具有大的电阻温度系数 （TCR）的氧化钒薄膜是实现高探测率的基础。 本文对氧化钒的结构、相变原理及其在红外 探测上的应用进行研究。
2.蒸发法
优点：蒸发法设备简单、操作容易、成膜速率快、薄膜的生长
机理比较单纯、用掩膜可以获得清晰图形。
缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，与基底附着力较小，工艺
国外：
美国Honeywell公司利用VO2为敏感红外线的薄膜材料，研制了 320×240元室温工作的非制冷红外焦平面传感器，在20世纪90年代 中期已经面市，被美国称为第三代红外传感器，开辟了红外技术在 民用市场上的应用，目前每年以60%的市场增长率迅猛发展。加拿 大国家光学研究院利用VO2和V2O5的半导体—金属态可逆转变，研 制室温和高温应用的相变型光开关，美国纽约州先进传感技术和美 国洛克威尔国际科学中心利用VO2和V2O3的金属—绝缘体在强激光 作用下可逆转变，研制高速抗强激光防护材料，在10.6um激光作用 下，消光比达到20dB。 此外，氧化钒系化合物在其他领域的应用研究也很活跃，例如 作为变色材料，空间光调制器，光存储器，光信息处理器等。
五氧化二钒的结构
沿[100]方向堆叠的V2O5晶体结构
VO2晶体和V2O5晶体的主要区别
氧化钒的制备工艺
由于各氧化钒稳定存在的组分范围很窄，要制 备单一组分的氧化钒薄膜是比较困难的。为此采用 了各种方法来制备氧化钒薄膜，优化工艺参数，以 获得性能优良的氧化钒薄膜。 1.溅射法 2.蒸发 3.脉冲激光沉积工艺 4.溶胶—凝胶法