晶粒尺寸对氧化钒薄膜电学与光学相变特性的影响

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材 料 工 程 ／２ １ 年 ４期 ０１
晶粒 尺 寸对 氧化 钒 薄 膜 电学 与 光 学 相 变 特 性 的 影 响
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流 子在 通过 薄膜 时受 到 的阻 力 增 大 ， 电阻在 由高 阻态 （ 缘体 态 ） 绝 变化 到低 阻态 （ 金属 态 ） 需 的温度 宽 度变 所 长 ｌ ； 于光 透射率 而 言 ， ８对 只有在 薄膜 内转 变为金 属 态 的晶粒 形成 有效 反射 层 的情 况 下 ， 射 率才 会 出现 明 透
膜前 在 只通氩 气条 件下进 行 预溅射 ， 洗靶 面 ， 清 到辉光
颜色 由粉 红色 变为 紫色 为止 ， ５ １ ｍｉ。溅 射得 到 约 ～ ０ ｎ 的氧化 钒 薄膜 的厚 度 约 为 ６ ｎ ０ ｍ。成 膜 后 分 别在 温 度 为 ３０ ０ ℃和 ３ ０ 的氮 氧气 氛 下 ， 行 氧化 热 处 理 ， ６℃ 进 保 持时 间为 １ 。 ｈ 利 用 Ｐ 一６ ０型 Ｘ 射线 光 电子 能 谱 （ Ｐ ） 热 ＨＩ ０ １ Ｘ Ｓ对 处 理 前 后 氧 化 钒 薄 膜 的 成 分 进 行 测 量 和 分 析 ； 用 利
ＭＭ ＡＦ ／ ＴＭ ＋ Ｄ １ ０型 原 子 力 显 微 镜 （ Ｍ ） Ｍ ｓ ３Ｏ ＡＦ 观
响 。ＶＯ 薄膜 的这 种 多 晶粒 相 变 合 效 应 对 光 学 与 电 学 性 能 的影 响 引起 了研 究 者 的关 注 ¨ ］ ６ 。薄膜 晶粒 尺
寸 减小 ， 单位 体 积 内晶粒 的数量 明显 增加 后 ， 导 致载 其
（ ｃ ｏ ｌ ｆＥｌｃｒ ｎｃａ ｄ Ｉ ｆ ｒ ｔｏ ｇ ｎ ｅ ｉｇ， ａ ｊ ｉｅ ｓｔ ， １Ｓ ｈ ｏ ｅ ｔｏ ｉ ｎ ｎ ｏ ｍａｉｎ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ Ｔｉｎ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｉ ｎ Ｔｉｎ ｉ ０ ０ ２， ｈ ｎ ；２ Ｓ ａ ｅＫｅ ｂ ｏ ｎ ｅ ｒ ｔｄ Ｏｐ ｏ ｌｃｒ ｎ ｃ ， ａ ｊ ３ ０ ７ Ｃ ｉ ａ ｔｔ ｙＬａ ｎ Ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｔ ｅｅ ｔ０ ｉｓ ｎ
单斜 金红 石结 构变 为高温 四方 金红 石结 构 ， 时 ， 同 ＶＯ２
晶 粒 尺 寸 对 氧 化 钒 薄 膜 电学 与 光 学 相 变 特 性 的影 响
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ＶＯ 薄 膜 的绝 缘体一 属 相 变 性 能 随着 薄膜 晶粒 。 金
备条 件下 制备 多 个 样 品 ； 射 镀 膜 前 预 抽 真 空 至 ２ ４ 溅 ． ×１ Ｐ ， 后 向真 空室 内通 人纯 度 为 ９ ． 的氧气 ０ ａ然 ９９ 和 ９ ． ６ ９ ９／ ９氩气 ， 射过 程 中真空 室压 强为 １ ａ 氧气分 溅 Ｐ， 压为 ０ ０ Ｐ ， 射 时 间为 ５ ｎ 基底 未 加 温 ； 射 薄 ．２ａ溅 ｍｉ ， 溅
ｌ ． ｔ ｒ ａ ｎｅ ｌｎｇ ａ ６ ￣ ，ｔ ｕｒａ ｅ ｏ ａ ｄｉ ｍ ｘ ｄｅｔ ｎ ｆｌ ｂｅ ｏ ｅ ｏ ｐ ｃ ｎ ｏｍｅ ｇ ａ ｎ ｙ Ａｆ ｅ ｎ ａｉ ｔ ３ ｏ Ｃ ｈｅｓ ｆ ｃ ｆｖ ｎａ ｕ ｏ ｉ ｈｉ ｉｍ ｃ ｍ ｓ ｃ ｍ ａ ｔａ ｄ ｓ ｒ ｉ
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梁继 然 胡 明 阚 强 陈 涛 梁秀琴。 陈弘 达 ， ， ， ， ， （ １天津 大学 电子信 息工 程学 院 ， 津 ３ ０ ７ ； 天 ０ ０ ２ ２中 国科 学 院 半 导体
研究 所集 成光 电子学 国家 重点实 验室 ， 北京 １ ０ ８ ； ０ ０ ３ ３中国科学 院
中 图分 类号 ： ６ ８ ０４ ４ ＴＢ ３ ０ ４ ； ８ ； ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ３ １ ２ １ ） ４０ ５ — ５ ０ 卜４ ８ （ ０ １ ０ — ０ ８０
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｖａ ａ ｉ ｎ ｄ ｕｍ ｘ ｄｅ ｔ ｎ ｆｌ ｒ ｅ ｏｓｔ ｄ ｂ ｅ ｃ ｉ ｅ ｄ ｒ ｃ ｕｒ ｅ ａ ｉ ａ ｇ ｔ ａ ｅ ｏ ｉ ｈｉ ｉｍｓ ｗｅ ｅ ｄ ｐ ｉｅ ｙ ｒ ａ ｔｖ ｉ ｅ ｔｃ ｒ ｎｔ ｆ ｃｎｇ ｔ ｒ ｅ ｓ ｍ ｇｎ — ｔ ｏ ｐｕ ｔ ｒｎｇ，ａ ｄ ｔ ｎ ａ ｒ ｎ ｓ ｔｅｉ ｎ ｈｅ ｎｎｅ ｌ ｄ ｉ ｙｇ ｎ ａ ｂ ｅ ｃ ｎｄｅ ｉｆ ｒ ｎ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｆ ｂｒｃ ｔ ａ ｅ ａ ｅ ｎ ｏｘ ｅ ｍ ｉ ｎ ｅ ｕ ｒ ｄ ｆｅ ｅ ｔｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｔ ａ ｉａ ｅ ｐｈ ｓ
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Ａ ｃ ｄｅ ｙ ｏｆＳｃｅ ｅ Ｂｅ ｉ ０ ０ ａ ｍ ｉｎｃ ｓ， ｉ ｎｇ １ ０ ８３， ｉ ） ｉ Ｃｈ ｎａ
二 氧 化 钒 （ 薄 膜 具 有 绝 缘 体一 属 相 变 特 ＶＯ ） 金 性Ⅲ ， 变温 度为 ６ ￣ 相 变 过 程 中 ， 相 ８Ｃ， 晶体 结 构 由低 温
薄膜 的光学 和 电学性 能 发生 可逆 快 速 突变 ， 得 ＶＯ２ 使 薄膜 在光 电开关 、 存储 器 、 微测辐 射热 计Ⅲ 等光 学 与 电学领 域都 具有 广阔 的应用前 景 。
ｔ ａ ｈ ｒ ｐ ｒｉ ｎ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｐ ｏ ｏ ｔ ｆＶＯ２ｉ ｉ ｉ ｂ ｕ ０ （ ｔ ｍ ｒ ｃ ｉ ｎ ｆｅ ｎ ｅ ｌ ｄ ｉ ０ ℃ ａ ｄ ３ ０ Ｃ ，ｔ ｅ ｏ ｎ ｆｌ ｓａ ｏ ｔ ａ ｏ ｆ ａ ｔｏ ）ａ ｔ ｒａ ｎ ａ ｅ ｎ ３ ０ ｍ ４ ｎ ６ ￣ ｈ ｆ ｍ ｓｈ ｖ ｎ ｕ ａ ｏ — ｅ ａ ｈ ｓ ｒ ｎ ｉｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔｅ ．Ｔｈ ｒ ｉ ｉｅ ｉ ５ ｎ ａ ｄ １ ０ ｍ ，ｒ ｓ ｅ ｔｖ — ｉ ａ ｅ ｉ ｓ ｌ ｔ ｒ ｍ ｔ ｌ ａ ｅ ｔａ ｓｔ ｒ ｐ ｒ ｉｓ ｌ ｐ ｏ ｅ ｇ ａ ｎ ｓｚ ｓ ０ ｍ ｎ ０ ｎ ｅ ｐ ｃ ｉ ｅ
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半 导体 研究所 半 导体集 成技术 工程 研究 中心 ， 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ ３
ＬＩ ＮＧ ｉ ａ ＨＵ ｉ ｇ ， Ａ Ｊ— ｎ ， ｒ Ｍ ｎ ＫＡＮ ａ ｇ ＣＨＥＮ ｏ ， Ｑｉｎ ， Ｔａ
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尺寸 的不 断减 小 ， 渐 表 现 出不 同于 块 体 材 料 的 相变 逐
变化 过程 。Ｑａｉ ａｈ５ 在 研 究 中发 现 多 晶 ＶＯ。薄 ｚｂ ｓｌ等 ｌ 膜 的相变过 程 是薄 膜 内所 有 晶粒 相 变 过程 的合 效 应 ，
晶 粒 之 间 的 相 变 过 程 是 独 立 发 生 的 ， 互 之 间 没 有 影 相
ｃ ｍ ｅ ｏ ｍ ｅ ｇｅ Ｅｌ ｃ ｒｃ ｌａ ｄ ｏ ｉａ ｒ ｎｓｔｏｎ ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｃ ｏｓ ｈａ ｅｔ ａ ｉｉ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｒ ｎ— ｏ ｓｔ ｒ ． ｅ ｔ ｉａ ｎ ｐｔｃ ｌｔ ａ ｉｉ ｏ ｒ ｉ ｓａ ｒ ｓ ｐ ｓ ｒ ｎｓｔｏｎ ｓ ｏ ｔ ａ ｈｅｔ ａ
与 光 学 相 变 温 度 随 晶粒 尺 寸 的增 加 而 减 小 ； 学 相 变 持续 的 温 度 宽 度 为 ３ ￣ 而 光 学 相 变 持 续 的温 度 宽 度 仅 为 ８ ， 电 ０Ｃ， ℃ 相
变 持 续 的温 度 宽 度 保 持 不 变 。 关键词 ： 化钒薄膜 ； 氧 晶粒 尺 寸 ； 学 相 变 光
摘 要 ： 用 直 流对 靶 磁 控 溅 射 方 法 制 备 氧 化 钒 薄膜 ， 过 改 变 热 处 理 温 度 获 得 了 具 有 不 同 晶 粒 尺 寸 的 相 变 特 性 氧 化 钒 采 通 薄 膜 ， 氧 化 钒 薄膜 相 变 过 程 中 电 阻和 红 外 光透 射 率 随 温 度 的 突 变 性 能 进 行 研 究 。 结 果 表 二 氧 化 钒 原 子 分 数 达 到 ４ ， 化 钒 薄 膜 具 有 绝 缘 体 一 属 相 变 特 性 ， 膜 的 晶 粒 尺 寸 分 别 为 ５ ｎ 和 薄 Ｏ 氧 金 薄 ０ｍ ｌＯ ｍ； ３ ０ 热 处 理 后 ， 化 钒 薄 膜 表 面 变得 致 密 ， Ｏｎ 经 ６℃ 氧 晶粒 之 间 出现 了联 并 ； 电学 和 光 学 相 变 特 性 的 表 征 结 果 表 明 ， 电学