二氧化钒薄膜研究的最近进展
用于红外激光防护的VO2薄膜的研究进展
（２ ０ ０ ０ Ａ￣ ４ ０ ０ ０ Ａ） 、 真 空 紫 外 激 光 器 （５ ｏ Ａ￣ ２ ｏ ｏ ｏ Ａ ） 和 ｘ 射线 激 光 器 。
人 们希 望找 到一 种具 有 宽 防护 带宽 、低 输 出阈值 、对 弱辐射 有很 高 线性 透 过率 以及 纳 秒
级 响应 时间的激光 防护材料。 这 种材料能 直接 对
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｖ０２ ｔ ｈ ｉ ｎ ｉ ｆ ｌ ｍｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｂｅ ｅ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｈ ｏ ｔ ｓ ｐ ｏ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
文章 编 号 ： １ ６ ７ ２ — ８ ７ ８ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ — ０ ０ １ ３ ． ０ ５
用 于 红 外 激 光 防护 的 Ｖｏ２ 薄膜 的研 究 进 展
周 矗 李 合 琴 刘心同
（ 合肥 工 业 大 学 材料 科 学 与 工 程学 院 ，安 徽合 肥 ２ ３ ０ ０ ０ ９）
Ａ ￣ ７ ｏ ｏ ｏ Ａ或 ０ ． ４
０ ． ７
） 、近 紫 外激 光 器
变化 ， 相变 高速且可逆 。 相变 温度 为 Ｔ ｃ ＝ ６ ８ 。 Ｃ，
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ １ ０ － ０ ８ 基 金项 目：国家 “９ ７ ３”项 目 （ ２ ０ ０ ８ Ｃ Ｂ ７ １ ７ ８ ０ ２ ）；安徽 省 自然 科 学基 金 （ ０ ９ ０ ４ １ ４ １ ８ ２ ） ；安 徽 省 高校 自然 科 学基金 （ ＫＪ ２ ０ ０ ９ Ａ ０ ９ １ ， ＫＪ ２ ０ １ ２ Ａ２ ２ ８ ）；合肥 工 业大 学 ２ ０ １ ３年大 学 生创新 性 实验 计 划 项 目基 金 资 助 （２ ０ １ ３ Ｃ ＸＳ ＹＩ ４ ５） 作 者 简介 ：周 矗 （ １ ９ ９ ０ 一 ） ，男 ； 安 徽 六 安人 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 功 能 薄膜 与 锂硫 电池 的研 究 。
二氧化钒薄膜的制备及其应用基础研究
二氧化钒薄膜的制备及其应用基础研究VO<sub>2</sub>作为一种具有独特相变性能的过渡金属氧化物,一直以来受到科研工作者的广泛关注。
电阻率、红外透过率等在相变前后发生的巨大变化使得该材料被应用于多种用途,如光/电开关、智能玻璃和激光防护涂层等。
本文利用水热法成功地制备VO<sub>2</sub>薄膜材料,系统地研究了薄膜制备工艺、微观结构和电、光性能及其相互间的关系,揭示了薄膜生长机理和相关影响因素,为利用液相法制备高质量过渡金属氧化物薄膜提供了新的思路。
论文主要内容和相关重要结论如下:（一）类单晶纳米网状二氧化钒薄膜的制备及其性能研究不依赖光刻技术的二维纳米结构自组装制备技术是当前纳米技术的研究热点之一,获得具有规则结构的二维纳米材料仍然面临很大的挑战。
本论文利用一种简易的水热法制备得到了晶圆尺寸范围内分布均匀的、具有桁架结构、共格连接的自组装VO<sub>2</sub>纳米网状薄膜。
这种纳米网状结构薄膜由VO<sub>2</sub>纳米棒组成,纳米棒间互呈120°（或60°）,选区电子衍射（SEAD）分析显示纳米棒间呈孪晶取向关系。
XRD和SAED结果表明,VO<sub>2</sub>纳米网状薄膜是由蓝宝石衬底外延诱导生长得到,（001）取向蓝宝石衬底为VO<sub>2</sub>纳米棒生长提供了三重对称的等价生长方向。
这种独特结构的纳米网状薄膜具有可媲美单晶VO<sub>2</sub>材料的相变电阻调制性能和优异的抗相变疲劳性能。
薄膜在相变前后电阻变化率可达到5个数量级,电阻热滞回线宽度仅为1.7℃,500次MIT相变热循环后,其相变电阻调制性能没有明显的衰减。
上述研究工作证明,利用水热法,采用衬底诱导技术可以实现二维规则结构纳米薄膜的可控制备,为二维有序纳米结构自组装制备提供了新的技术途径,所制备的纳米网状薄膜在功能开关器件中具有潜在的应用价值。
二氧化钒相变薄膜
二氧化钒相变薄膜
二氧化钒是一种具有多种相变的材料，其中最常见的相为金红石相（rutile phase）和单斜相（monoclinic phase）。
二氧化钒的相变对其物理性质具有重要影响，因此制备二氧化钒相变薄膜是研究的热点之一。
制备二氧化钒相变薄膜的方法主要有物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）和化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）两种。
物理气相沉积是将纯净的二氧化钒源材料加热到高温，在真空或惰性气氛下，使源材料蒸发形成薄膜。
通过控制沉积温度和沉积速度，可以得到不同相的二氧化钒薄膜。
化学气相沉积则是利用化学反应在基底表面上合成薄膜。
常用的方法包括热分解法和气相沉积法。
热分解法是通过在高温下将二氧化钒前体分解，使其在基底表面上生成相应的薄膜。
气相沉积法则是将气体前体引入反应室，通过化学反应在基底表面上合成薄膜。
制备二氧化钒相变薄膜的关键是控制沉积过程中的温度、气氛和沉积速率等条件。
此外，选择适合的基底材料也是非常重要的，常用的基底材料包括石英、硅、镧铝韧性陶瓷等。
二氧化钒相变薄膜具有许多潜在应用，例如可用于电子器件、光学涂层、传感器和储能器件等领域。
《2024年电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》范文
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》篇一一、引言二氧化钒（VO2）作为一种具有优异相变性能的材料，其应用范围日益广泛。
随着科技的发展，人们对材料性能的要求也越来越高，特别是在电子学、光学和热学等领域。
电子注入法作为一种新兴的薄膜制备和性能调控技术，在二氧化钒薄膜的相变性能调控方面展现出了巨大的潜力和优势。
本文将深入探讨电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控机制及影响。
二、电子注入法概述电子注入法是一种将电子注入到材料内部，以改变其电子结构和性能的方法。
该方法具有操作简便、效率高、对材料损伤小等优点，被广泛应用于薄膜制备和性能调控领域。
在二氧化钒薄膜的制备和性能调控中，电子注入法可以通过调整注入电子的能量、剂量和速度等参数，实现对薄膜相变性能的有效调控。
三、电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的影响1. 改变相变温度：通过电子注入法，可以有效地调整二氧化钒薄膜的相变温度。
当注入的电子能量和剂量达到一定值时，薄膜的相变温度会发生变化，从而使其在特定温度范围内的应用成为可能。
2. 优化相变过程：电子注入法可以改善二氧化钒薄膜的相变过程，使其更加平滑、快速。
这有助于提高薄膜在实际应用中的稳定性和可靠性。
3. 增强光学性能：电子注入法可以改变二氧化钒薄膜的光学性质，如反射率、透光率等。
这使得薄膜在光学器件、光电器件等领域具有更广泛的应用前景。
4. 调整热学性能：电子注入法还可以对二氧化钒薄膜的热学性能进行调控，如热导率、热膨胀系数等。
这些性能的调整有助于提高薄膜在高温环境下的稳定性。
四、实验结果与讨论本文通过实验验证了电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控效果。
实验结果表明，通过调整注入电子的能量、剂量和速度等参数，可以有效地改变二氧化钒薄膜的相变温度、相变过程、光学性能和热学性能。
此外，我们还发现，在适当的参数条件下，电子注入法可以显著提高二氧化钒薄膜的性能稳定性。
五、结论与展望本文通过深入研究电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控机制及影响，得出以下结论：1. 电子注入法是一种有效的二氧化钒薄膜相变性能调控方法，具有操作简便、效率高、对材料损伤小等优点。
VO2薄膜制备技术及其应用进展
VO2薄膜制备技术及其应用进展VO2作为固态热致相变材料，当温度在68℃时，因热驱动而发生相转变，VO2晶体结构会随之发生变化（单斜结构转变为四方金红石结构），同时其光学和电学性能也会发生突变。
VO2薄膜优异的电学和光学特性，使得其具有较高的实用价值和广阔的应用前景，在多个领域中发挥着重要作用。
当前用于制备VO2薄膜的方法主要有溅射法、溶胶-凝胶法、蒸发法、常压化学气相沉积法等。
1 二氧化钒薄膜的制备方法1.1 溅射法该法是在通氧条件下溅射金属钒靶，淀积与反应同时进行，溅射所用设备可以是离子束溅射或磁控溅射，用Ar+离子束溅射钒靶，在加热衬底上形成VO2多晶薄膜，然而在较低衬底温度下晶粒尺寸会较小，两相电阻比Rs/Rm小。
采用反应磁控溅射，在Ar气中混合O2，可在蓝宝石衬底上外延出VO2，外延VO2薄膜具有相变陡峭、热滞效应小等特性。
此外，还有溅射V2O5粉末靶制备VO2的报道。
用纯Ar+离子直接溅射V2O5粉末靶，即可在衬底上淀积出二氧化钒。
周进等人采用Ar+离子柬溅射V2O5粉末靶在室温下淀积出的氧化钒薄膜为高价态V2O5。
1.2 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）将VO（OC3H7）3溶于某些有机溶剂配成母液，用涂胶机或漂洗仪将母液涂布于衬底上，温度在370～670℃范围内进行烘干沉底生成V2O5。
将V（OR）4溶液均匀涂布于玻璃衬底上，凝胶后形成VO2·X（H2O），在N2气中经200～700℃烘干衬底，即获得VO2。
该法制备成本低，可大面积制备，客易掺杂，可双面一次形成，但厚度较难控制，工艺控制要求较高，容易使薄膜开裂或起泡。
1.3 蒸发法通常用V2O5粉末蒸发淀积VO2薄膜。
单纯蒸发获得的氧化钒薄膜一般为缺氧的V2O5，在200～500℃氧气中退火，薄膜即转变为符合化学计量比的VO2，薄膜的机械强度得到了提高，与衬底附着力也得到优化。
若在通氧下进行蒸发，可淀积得到V2O5，但要在较低的衬底温度下淀积，使得薄膜机械强度和附着力变差。
二氧化钒基纳米复合膜的制备及性能研究的开题报告
二氧化钒基纳米复合膜的制备及性能研究的开题报
告
一、选题背景
纳米复合材料在能源、环保、医疗等领域中具有广泛的应用前景。
钒化物作为一种具有优越的电催化和光催化性能的材料，近年来备受关注。
在某些应用领域中，二氧化钒作为一种重要的材料，具有优异的电化学性能和光催化性能。
然而，单纯的二氧化钒膜在实际应用时仍存在一些问题，例如缺乏稳定性和机械性能差等问题。
因此，制备具有较好性能的二氧化钒基纳米复合膜已成为当前研究的热点。
二、研究内容
本研究将探究一种二氧化钒基纳米复合膜的制备方法，通过改变材料的组成、结构和功能，以此优化膜的性能和稳定性。
具体来说，将采用溶胶-凝胶法和电化学成核法结合的方法，制备含有碳纳米管和氧化锡纳米颗粒的二氧化钒基纳米复合膜，并探究不同组成下膜的结构和性能对比。
三、研究方法
1. 溶胶-凝胶法
采用溶剂辅助化学气相沉积法、旋涂法、电化学氧化法、水热法等制备方法，制备含有碳纳米管和氧化锡纳米颗粒的材料。
2. 电化学成核法
通过控制溶液的pH值、温度和电化学条件等，使二氧化钒的纳米片结构在碳纳米管表面上生成，并通过气相沉积法和化学还原法制备氧化锡纳米颗粒。
3. 物理测试
使用场发射扫描电镜和透射电子显微镜对样品进行形貌和结构表征；采用原子力显微镜、X射线衍射和拉曼光谱等测试方法，分析样品的物理性质。
四、预期成果
本研究预计制备出具有优良性能的二氧化钒基纳米复合膜，并对样
品的结构和性能进行分析和表征，为二氧化钒基纳米复合材料的研究提
供理论结论和实验基础。
VO2薄膜制备及掺杂研究进展
其转换温度为一１４７－－６８℃。其中Ｖ０２薄膜因电学、 光学转换温度在６８℃附近而备受关注。ＶＯ：晶体转 换特性的理论描述最早由Ｇｏｏｄｅｈｏｕｇｈ【１ ｌ用晶格场 和分子轨道理论给出，他提出了金属相一绝缘体相 转变理论。 但是。ＶＯｚ单晶的半导体相一金属相相变属一 级相变，伴随相变单晶出现小的原子位移，体积膨胀 系数很大（约０．０４４％）犯１。因此，虽然ＶＯ ２单晶有优 良的电学、光学性能（在转换温度６８℃处，在０．１℃
ＶＯ ２薄膜制备及掺杂研究进展
葛振华，赵昆渝，李智东，吴 东，邹
平
（昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明６５００９３）
摘要：二氧化钒（ＶＯ：）是一种性能优异的功能材料，在６８℃左右发生金属态一半导体态的转变，其光学 和电学性能发生突变，在热电开关、光存储介质和激光防护方面有广泛的应用前景。但是由于钒氧体系 十分复杂，给制备高质量的ＶＯ：带来了困难。人们做了许多工作来研究ＶＯ：的结构性能，使用不同的 工艺方法制备ＶＯ：以及通过掺杂降低其相变温度。本文通过一些有代表性的ＶＯ：的研究成果，从制备 工艺和元素掺杂方面做了介绍。 关键词：ＶＯ：薄膜；制备工艺；掺杂 中图分类号：ＴＭ２０５．１；０４８４．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—８８８７（２００８）０４—００３８—０４
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｌｓｏ ｈａｖｅ
ａｎｄ
ｇｒｅａｔ
ｃｈａｎｇｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｈａｖｅ
ａ
ｈｅａｔ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｗｉｔｃｈｅｓ，ｏｐｔｉｃａｌ
ｌａｓｅｒ
ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ａｓｐｅｃｔｓ
ｖｅｒｙ
ｂｒｏａｄ
ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ ｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ ｗｏｒｋ
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》范文
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》篇一一、引言随着科技的发展，材料科学在众多领域中发挥着越来越重要的作用。
其中，二氧化钒（VO2）薄膜因其独特的相变性能，在微电子、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，其相变性能的调控一直是研究的热点和难点。
近年来，电子注入法作为一种新兴的调控手段，在VO2薄膜的相变性能调控中展现出巨大的潜力。
本文将就电子注入法对VO2薄膜相变性能的调控进行深入研究。
二、电子注入法的基本原理电子注入法是一种通过向材料中注入电子，改变其电子结构和物理性能的方法。
在VO2薄膜中，通过控制电子的注入量和注入速度，可以有效地调控其相变性能。
VO2具有金属-绝缘体相变特性，其相变过程与电子的得失密切相关。
因此，通过电子注入法可以实现对VO2薄膜相变性能的有效调控。
三、电子注入法对VO2薄膜相变性能的影响（一）实验方法与过程本实验采用电子注入法对VO2薄膜进行相变性能的调控。
首先，制备出高质量的VO2薄膜；然后，通过控制电子束的能量、剂量和扫描速度等参数，向薄膜中注入电子；最后，观察并记录薄膜的相变性能变化。
（二）实验结果与分析1. 电子注入量对相变性能的影响：实验发现，随着电子注入量的增加，VO2薄膜的相变温度逐渐降低，相变过程更加平滑。
这表明电子注入法可以有效地降低VO2薄膜的相变温度，提高其相变性能。
2. 电子注入速度对相变性能的影响：在一定的电子注入量下，改变电子注入速度也会对VO2薄膜的相变性能产生影响。
较快的电子注入速度可以使VO2薄膜在更短的时间内完成相变，提高其响应速度。
3. 电子注入法的优势：与传统的VO2薄膜相变性能调控方法相比，电子注入法具有操作简便、调控效果好、对环境友好等优点。
同时，通过精确控制电子的注入量和注入速度，可以实现对VO2薄膜相变性能的精细调控。
四、应用前景与展望电子注入法在VO2薄膜相变性能调控中展现出巨大的应用潜力。
首先，通过降低VO2薄膜的相变温度，可以提高其在微电子、光电子器件中的工作温度范围，拓展其应用领域。
用于激光防护的二氧化钒薄膜研究
华中科技大学硕士学位论文摘要近年来，激光战术战略武器得到了迅速发展，激光致盲武器作为战术激光武器的一种，不仅可以干扰对方光电系统的正常工作，也能使士兵暂时性失明，受到了各国军方的重视，对激光防护材料的研究也就显得越来越重要。
二氧化钒（VO2）作为一种典型的相变材料，在68℃时会发生金属-半导体相变（metal-to-insulator transition, MIT），相变前后伴随着明显的光学与电学性能的变化，其中红外透过率由低温态的高透过率转变为高温态的高反射率，且具有低的相变阈值与高的损伤阈值，满足了激光防护的基本要求，因而被认为是新型激光防护智能材料。
本文围绕VO2在红外波段的激光防护和提高其可见光透过率两个方面进行了研究。
本论文的主要工作如下：1.详细分析了VO2的相变原理与激光防护理论，引入Drude模型与Lorentz模型研究了VO2的光学常数，基于等效介质理论分析了VO2纳米孔洞薄膜的光学特性，为后续仿真和实验提供了理论基本。
2.分别用膜系仿真软件TFCalc与光器件仿真软件FDTD Solutions对VO2连续薄膜与孔洞薄膜进行了仿真，为实验提供了方向性指导。
3.优化了反应离子束溅射制备VO2薄膜的工艺参数，获得了性能较好的VO2薄膜。
分析了后退火工艺对薄膜质量的影响，获得了最佳退火温度。
4.采用半导体工艺中的紫外光刻与ICP刻蚀技术制备了VO2孔洞薄膜，探索了工艺流程与参数。
5.采用多种激光器测试了VO2薄膜的相变阈值与激光损伤阈值。
6.用硅光电池作为靶子，进行了VO2薄膜的激光防护实验。
关键词：VO2薄膜离子束溅射VO2孔洞薄膜半导体工艺激光防护华中科技大学硕士学位论文AbstractThe rapid developing laser weapons are playing important role in modern wars. As one of the tactical weapon, laser blind jamming can not only disturb the regular function of the photoelectric devices but also blind soldiers temporarily, that cause the attention of the military, so the research on laser protective materials is becoming more and more important.As a typical phase transition material, vanadium dioxide(VO2) demonstrates sharp metal to insulator transition(MIT) at 68 degrees, accompanying with abrupt changes in the optical and electrical properties. The infrared transmittance would be transformed from a high transmittance at low temperature state to high reflectance at high temperature state, with low phase transition threshold and high damage threshold, VO2meets the basic requirement of laser protection and is considered as a new intelligent material for laser protection. This thesis studies the laser protection of VO2in infrared band and the enhancement of its visible light transmittance.The main contents of this thesis are as follows.1.The phase transition mechanism and laser protection theory have been brieflyanalyzed. By introducing Drude model and Lorentz model, we studied the optical constant of VO2. Based on effective medium theory, we analyzed the optical properties of vanadium dioxide nanogrid films, that provided the theoretical basic for the subsequent simulations and experiments.2.The TFCalc coating design software and optical devices simulation software FDTDSolutions were used to simulate the continuous film and nanogrid film, providing a directional guidance for the experiments.3.The parameters of reactive ion beam sputtering to fabricate VO2film wereoptimized and high quality films were obtained. Also the influence of post-annealing process on the quality of the film was studied, and the optimal annealing temperature was obtained.华中科技大学硕士学位论文4.VO2microgrid films were prepared by semiconductor technology such as UVlithography and ICP etching, the parameters of the process were explored.5.The phase transition threshold and laser damage threshold of the film were testedwith different kind of lasers.6.With the silicon photocell as the target, the laser protection experiment of VO2 filmswere carried out.keywords：VO2film reactive ion beam sputtering VO2nanogrid film semiconductor technology laser protection华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论课题背景 (1)研究的目的和意义 (1)国内外概况分析 (3)二氧化钒基本性质与应用 (4)激光防护方案 (7)本课题主要研究内容和创新点 (9)2VO2激光防护理论分析VO2相变原理 (10)VO2激光防护原理 (11)等效介质理论 (13)本章小结 (14)3VO2膜系仿真设计软件介绍 (15)VO2光学常数仿真计算 (17)本章小结 (26)4VO2薄膜的制备华中科技大学硕士学位论文VO2的制备工艺 (27)离子束溅射制备VO2薄膜 (29)孔洞薄膜的制备 (33)本章小结 (42)5薄膜表征与性能测试VO2薄膜性能测试 (43)VO2孔洞薄膜性能测试 (49)本章小结 (50)6VO2薄膜在激光防护中的应用激光防护中VO2薄膜相变阈值 (51)激光防护中VO2薄膜破坏阈值 (55)硅光电池防护实验 (56)VO2薄膜中红外开关率测试 (58)VO2薄膜响应时间测试初步探索 (59)本章小结 (60)7总结与展望总结 (62)展望 (63)致谢 (64)参考文献 (65)华中科技大学硕士学位论文附录攻读学位期间发表的论文目录 (71)华中科技大学硕士学位论文1绪论课题背景近年来激光武器得到迅速发展，几乎决定了现代战争的胜负成败。
二氧化钒薄膜制备研究的最新进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2007年第26卷第6期·814·化工进展二氧化钒薄膜制备研究的最新进展丰世凤，宁桂玲，王 舰，林 源（大连理工大学化工学院精细化工国家重点实验室，辽宁大连 116012）摘 要：VO2在68 ℃附近发生从高温金属相到低温半导体相的突变，且相变可逆。
由于相变前后其电、磁、光性能有较大的变化，使得它在光电开关材料、存储介质、气敏传感器和智能玻璃等方面有着广泛的应用。
然而由于VO2稳定存在的组分范围狭窄，使得制备高纯度VO2薄膜较为困难。
为此人们做了很多工作来研究VO2薄膜的制备。
本文综述了2000年以来VO2薄膜制备方法的研究情况，比较了各种制备方法对薄膜性能的影响，介绍了VO2薄膜研究的最新研究进展，并为扩大其应用领域而探讨了今后的研究方向。
关键词：二氧化钒；相变；薄膜制备中图分类号：TB 43；O 484.4 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2007）06–0814–05Recent progress of research on VO2 thin filmFENG Shifeng，NING Guiling，WANG Jian，LIN Yuan（State Key Laboratory of Fine Chemicals，School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116012，Liaoning，China）Abstract：Vanadium dioxide（VO2）single crystals undergo a first order transition from semiconductor to metallic state at approximately 68℃. Associated with the phase transition are the considerable changes in its electrical，magnetic and light characteristics，it can be widely used in thermal，electrical switching elements，optical storage media devices and sensitive sensor and solar energy control of windows. The film of VO2 stably exists in a narrow range of composition，and it is difficult to get pure VO2. Much work has been done to investigate the film of VO2. This paper summarizes the recent progress of the preparation method of VO2 thin film since 2000 and the influence of various preparation methods upon the properties of the thin film are compared. To expand its application，the newest development of the VO2 thin film is introduced，and its future research is also discussed.Key words：VO2；phase transition；film preparation钒作为过渡金属元素，可以和氧形成3个系列的氧化物[1]：VO-V2O3-V2O5、V n O2n-1(3<n<9)、V n O2n+1(3<n<6)，这些氧化物晶体结构和空间排列各不相同。
高能脉冲磁控溅射技术制备vo2薄膜研究进展
第41卷第2期2020年2月哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.41ɴ.2Feb.2020高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2薄膜研究进展谷金鑫1,魏航2,任飞飞2,李龙2,范青潽2,赵九蓬1,豆书亮2,李垚2(1.哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘㊀要:高能脉冲磁控溅射(HiPIMS )技术具有低占空比㊁低频率㊁高峰值功率密度㊁高溅射等离子体密度等特点,能够在高峰值功率下进行薄膜沉积,从而提高薄膜的沉积质量㊂将高能脉冲磁控溅射技术用于二氧化钒(VO 2)薄膜的沉积,能够降低其制备温度,提高致密度㊂本文介绍了高能脉冲磁控溅射技术的特点,阐述了高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2热致变色材料的研究现状,最后总结了利用高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2薄膜的优势以及存在的问题并对其应用进行展望㊂关键词:二氧化钒;热致变色;透过光谱;相变特性;高能脉冲;磁控溅射;放电特性;沉积温度DOI :10.11990/jheu.201911016网络出版地址:http :// /kcms /detail /23.1390.u.20200107.1027.002.html 中图分类号:TB381㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006-7043(2020)02-219-08Recent progress on the preparation of VO 2thin films byhigh-power impulse magnetron sputtering technologyGU Jinxin 1,WEI Hang 2,REN Feifei 2,LI Long 2,FAN Qingpu 2,ZHAO Jiupeng 1,DOU Shuliang 2,LI Yao 2(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.Center for CompositeMaterials and Structure,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract :(HiPIMS)can deposit high-quality thin films under high peak power due to its low duty cycle,low-frequency operation,high peak-power density,and high plasma density.HiPIMS can be used to deposit VO 2thin films by decreasing the preparation temperature while increasing the density of the thin film.In this paper,the main characteristics of HiPIMS are reviewed.At last,the advantages and problems in preparing VO 2thin films by HiPIMS were summarized and the application trends were prospected.Keywords :vanadium dioxide;thermochromic;transmittance;phase transition properties;high-power impulse magnetron sputtering(HiPIMS);magnetron sputtering;discharge characteristics;deposition temperature收稿日期:2019-11-07.网络出版日期:2020-01-07.基金项目:国家自然科学基金项目(51572058,51902073);中央高校基本科研业务费专项基金(HIT.NSRIF.2020019);装备发展部领域基金(6140922010901);中国博士后科学基金项目(2019M661273);黑龙江省博士后科学基金(LBH-Z19159).作者简介:谷金鑫,女,博士研究生;豆书亮,男,师资博士后;李垚,男,教授,博士生导师,长江学者特聘教授.通信作者:豆书亮,E-mail:dousl@.㊀㊀高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术是在直流磁控溅射技术(direet current magnerction sputtering,DCMS)基础上发展起来的一种新兴的电离化物理气相沉积技术(physical vapour deposition,PVD),区别于传统磁控溅射技术,HiPIMS 技术具有峰值功率密度高(1kW /cm 2),靶附近平均离子密度大(107/cm 2)的特点,所制得的薄膜平整致密,与基底结合良好,同时表现出优异的膜层性能[1-3]㊂目前,采用HiPIMS 技术已经可以沉积得到大量功能材料薄膜,如TiO 2[4]㊁ZrO 2[5-6]㊁WC-DLC [7]㊁VO 2[8]等㊂二氧化钒(VO 2)具有可逆的金属-绝缘体相变(MIT),是一种热致变色材料,相变前后其光学性能会发生显著变化,在近红外波段由低温的高透过转变为高温的高反射状态[10-12]㊂VO 2相变温度在340K 左右,是最接近室温的热致变色材料之一,在智能窗㊁热控和辐射热测定器等领域具有广阔的应用潜力和空间[11-15]㊂传统磁控溅射技术如直流磁控溅射(DCMS)和射频磁控溅射(RFMS)技术如果溅射时基底温度满足要求,则可以直接溅射制备VO 2薄膜,否则需要后退火等处理;而基底温度一般哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第41卷要控制在450ħ以上,难以满足在柔性基底上的制备㊂而高能脉冲磁控溅射技术可以利用高能离子轰击降低薄膜的沉积温度,即在较低的制备温度下获得VO 2薄膜,扩展了VO 2薄膜的基底材料[8,16]㊂此外,采用HiPIMS 技术沉积的VO 2薄膜表面致密,不仅能够降低其相变温度,还具有相对良好的环境稳定性[17]㊂本文首先介绍高能脉冲磁控溅射技术(HiP-IMS),其次阐述了HiPIMS 技术制备VO 2的最新研究进展,最后展望HiPIMS 技术在VO 2薄膜制备上的应用前景㊂1㊀高能脉冲磁控溅射技术高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)是一种新兴的物理气相沉积技术(physical vapour deposition,PVD)[18-19]㊂该技术主要工作原理如图1(a)所示,HiPIMS 技术在极高的脉冲电压作用下使氩气(Ar)高度电离,形成大量Ar +等离子体,极端情况下会产生高价等离子体(Ar 2+),在舱内电磁场的作用下,正离子向阴极靶材高速移动,靶材溅射出来大量的金属离子,一部分金属离子在电场的作用下会继续向靶面撞击溅射出二次离子,该过程称为靶的自溅射过程[20-22],另一部分金属离子由于动能较高,摆脱电场的束缚,沉积到基片上成膜㊂与传统的磁控溅射相比,HiPIMS 采用脉冲供电方式,频率为几十赫兹到千赫兹,脉冲宽度为10~500μs,峰值功率极高,为平均功率的百倍以上,极大地提升了放电过程中的离化率㊂较低的占空比消除了由于电荷累积造成的 打火 现象,克服了传统磁控溅射功率过高时水冷不足引起的靶材过热难题,保证了设备运行的安全性和稳定性,实现了高功率磁控溅射薄膜制备㊂高能脉冲磁控溅射技术的电压-电流曲线如图1(b)所示,随着电压的施加,靶电流逐渐增加,当电压消失时,电流急剧下降,但仍不为零㊂可以看出一个脉冲周期内,峰值功率达到几十千瓦㊂在较短的脉冲时间内,高能脉冲磁控放电过程如图1(c)所示㊂阶段Ⅰ:电流随施加电压逐渐升高,在电压结束时出现峰值电流,由于电压很低,此时峰值电流很小㊂阶段Ⅱ:随着电压升高,峰值电流急剧增加,靶材溅射出的金属离子足够多,其中会有部分金属离子轰击靶材,提高了靶材的溅射效率,由于轰击靶材的离子是靶材自身溅射出的离子,所以将这种溅射称为自溅射㊂当电压消失时由气体放电所产生的电流也会消失,而自溅射产生的离子电流则会有一个短暂的滞后㊂阶段Ⅲ:电压继续增高后,峰值电流也迅速增加,对应于气体放电的剧烈变化㊂阶段Ⅳ:当电压增加到一定值时,在整个脉冲内电流随电压迅速变化,对应于自溅射的增强㊂阶段Ⅴ:当电压过高时则会处于一种不稳定放电的状态,靶材表面剧烈放电,甚至产生电弧㊂一般高能脉冲磁控溅设发射在阶段Ⅱ和Ⅳ,此时金属靶材的离化率高,放电特性稳定,所制备的膜结构光滑致密,与基底间结合力变强,机械性能得到明显提升,能满足结构性质复杂的化合物薄膜制备要求[3,19-22]㊂图1㊀HiPIMS 工作原理及放电过程特性曲线Fig.1㊀A schematic diagram for the working mechanism and the typical discharge process curve of HiPIMS㊀㊀由于HiPIMS 技术的诸多优点,在1999年由Kouznetsov V [24]提出该方法后发展迅速,近年来高能脉冲磁控溅射技术应用越来越广泛㊂有研究发现将高能脉冲磁控溅射技术应用于制备VO 2薄膜,所获得的VO 2薄膜较其他方法更加平滑致密,耐久性和抗氧化性有明显提升[1,9],在一定条件下可大幅降低其制备温度[24-26],为VO 2薄膜制备提供了新的选择㊂2㊀高能脉冲磁控溅射制备VO 2薄膜2.1㊀VO 2薄膜热致变色机理二氧化钒(VO 2)是一种多晶相过渡金属氧化物,只有单斜相VO 2(M)和金红石相VO 2(R)之间才能发生可逆一级相变[27-28]㊂图2(a)㊁(b)为VO 2低温单斜相(M)和高温金红石相(R)的结构,VO 2相变前后的变化使自身的电学和光学性质也发生显㊃022㊃第2期谷金鑫,等:高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2薄膜研究进展著地变化㊂当温度低于68ħ时,单斜相VO 2呈现半导体态,电阻较高,近红外波段高透过;当温度超过68ħ时,转变为金红石相VO 2,呈现金属态,电阻较低,近红外波段高反射㊂图2㊀VO 2的相结构和电子能带结构图[28,34]Fig.2㊀Structures and electronic band structure of different VO 2phases[28,34]㊀㊀由于VO 2相变的独特性,其具体的相变机理也受到了广泛的研究㊂目前有3种相变模型解释其相变机理,分别为莫特相变模型㊁佩尔斯相变模型和莫特-佩尔斯(Mott-Peierls)相变模型㊂莫特相变认为电子之间的交互作用驱动相变;佩尔斯相变则认为是晶格畸变驱动相变[29]㊂但是这2种理论都不能完美的解释VO 2的相变机理,所以有学者提出第3种理论即莫特-佩尔斯相变模型,该模型认为结构变化和电子变化在VO 2相变过程中具有协同作用[30-32]㊂Goodenough 基于电子能带理论对VO 2的整体能带结构做出描述,并解释其导电的原因[33]㊂如图2(c)㊁(d)所示,金红石相时π∗能带与d //能带之间的重叠部分恰好处于费米能级之上,电子可以跃迁,所以能够表现出金属导电的特性;单斜相时d //分离为d //和d ∗//2个轨道,而在d //能带和π∗能带之间形成一个带宽约为0.7eV 的禁带,费米能级恰好处于禁带之间,电子难以跃迁,使VO 2表现出绝缘性㊂2.2㊀HiPIMS 技术制备VO 2薄膜研究由于钒(V)价态多样,其氧化物种类繁多,制备具有热致变色特性VO 2薄膜的条件极为苛刻㊂VO 2薄膜物理性质受自身晶体结构和形貌所决定,而薄膜的晶体结构和形貌显然又与沉积过程中工艺参数有关[34]㊂对于HiPIMS 技术而言,氩氧比㊁溅射功率㊁基片偏压和沉积温度等参数都会对VO 2薄膜的性能产生影响㊂目前对于HiPIMS 技术沉积的VO 2薄膜的研究主要集中于降低VO 2沉积温度和优化工艺参数得到结晶良好VO 2薄膜[35-36]㊂高能脉冲磁控溅射的高能溅射离子可以促进薄膜生长,因此该方法也能降低VO 2的制备温度㊂Martinu 等[1]采用高能脉冲磁控溅射技术在300ħ基底温度下沉积得到致密的VO 2薄膜,如图3(a)㊁(b)所示,薄膜结晶良好,在2500nm 处相变后透过率(T 2500)变化61%,同时相变温度降低至50ħ㊂此外,该课题组利用HiPIMS 技术在聚酰亚胺柔性聚合物基底上沉积热致变色VO 2薄膜,其制备温度可以降低至300ħ以下,很大程度解决柔性基底材料受温度限制的问题,但是薄膜的热致变色性能也因此受到影响,相变程度比较小,其中相转变温度在68ħ左右,而且热滞回线的宽度也比较大[8]㊂此外,AIJAZ 等[26]通过施加偏压增加衬底附近的等离子密度来提高电流通量,促进VO 2薄膜在低温下的生长,制备温度也可以降低到300ħ,但薄膜室温透过率较低,如图4(a)所示㊂王浪平等[37]则证明了基底偏压会影响VO 2薄膜晶体取以及晶体尺寸,进而影响薄膜相变性能㊂如图4(b)㊁(c)所示,当偏压从-50V 增加到-250V 时,薄膜晶粒尺寸逐渐变小,同时相变温度从54ħ降至31.5ħ,热滞回线宽度也逐渐变窄,㊃122㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第41卷施加-150V 偏压所制备的VO 2薄膜相变前后ΔT 2500变化较大㊂该课题组研究人员又利用HiP-IMS 技术在石英玻璃上沉积了不同厚度的VO 2薄膜,研究了厚度对VO 2薄膜热致变色特性的影响㊂如图4(d)㊁(e),VO 2薄膜厚度影响了薄膜的相变温度,厚度的增加使薄膜的相变温度下降,在衬底温度485ħ时获得的8nm 超薄VO 2薄膜可见透过达到75%以上[38]㊂图3㊀利用HiPIMS 技术沉积的75nmVO 2薄膜的结晶性及光学性能[1]Fig.3㊀Crystallinity and optical properties of a 75nm thick VO 2film deposited by HiPIMS [1]图4㊀VO 2透过光谱及热滞回线图Fig.4㊀Spectral transmittance and temperature dependence of sheet resistance of the VO 2thin films㊀㊀此外,相关研究表明高能脉冲磁控溅射技术获得的致密VO 2薄膜能显著提高其环境稳定性㊂Loquai S等[17]研究了HiPIMS 和RFMS 技术制备的VO 2薄膜环境稳定性,与RFMS 技术相比,利用HiPIMS 技术制备的薄膜更加致密,在80ħ和相对湿度100%的条件老化52h 后仍然保持相对较低粗糙度,ΔT 2500从56.4%下降到46.7%,而普通射频磁控溅射制备得到的薄膜经过相同条件老化之后,ΔT 2500从55.2%下降到9%,如图5所示㊂结果表明高能脉冲磁控溅射技术获得的VO 2薄膜具有相对较高的环境稳定性㊂2.3㊀VO 2多层膜制备研究在基底上和VO 2薄膜之间引入与VO 2结构相似的缓冲层可以提高VO 2薄膜热致相变性能㊂此外,利用光的干涉原理引入一定厚度的增透层,如TiO 2[39-41]㊁ZrO 2[42]㊁Cr 2O 3[43]等,设计制备多层膜可以提高VO 2薄膜的光学性能㊂目前采用高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2多层膜的研究开始有文献报道[42-44]㊂为防止高温时钠钙玻璃中钠的扩散影响薄膜的结晶性,Juan Pichun 等[42]设计了VO 2/TiO 2/glass 结构,发现TiO 2层不仅可作为缓冲层缓解碱金属的扩散,还可以改善薄膜的光学性能㊂如图6(a)㊁(b)所示,将制备得到的VO 2/TiO 2双层膜用于热致变色智能窗,其对太阳辐射的调节能力可以达到10.4%㊂玻璃衬底通常呈现非晶结构,所以沉积在玻璃衬底上的薄膜一般具有多晶结构,热致相变性能较差[40,43]㊂Kang Chaoyang 等[42]选择Zr x O y 作为VO 2薄膜生长的结构模板,设计并制备了VO 2/Zr x O y /glass 双层膜,研究了不同温度下制备的Zr x O y㊃222㊃第2期谷金鑫,等:高能脉冲磁控溅射技术制备VO 2薄膜研究进展缓冲层对VO 2薄膜性能的影响如图6(c)~(i)所示㊂在图6(d ~i)中可以观察到,当缓冲层的生长温度达到550ħ时,形成的ZrO 2单斜相结构会显著改善M-VO 2薄膜的结晶性,降低了热滞回线宽度㊂图5㊀利用RFMS 和HiPIMS 技术制备的VO 2薄膜老化前后透过光谱Fig.5㊀Transmittance spectra of pre-and post-aging VO 2films prepared by RFMS and HiPIMS [17]图6㊀不同结构的VO 2多层膜性能示意Fig.6㊀Schematic diagram of VO 2multilayer film performance of different structures㊃322㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第41卷㊀㊀Jiri Houska等[43]设计了ZrO2/V1-x W x O2/ZrO2结构,利用二阶干涉效应来改善薄膜光学性能㊂图7 (a)为所设计的三层膜结构示意图,选用ZrO2作为增透层,W掺杂降低VO2薄膜相变温度;如图7(b)㊁(c)所示实验得到的ZrO2(180nm)/V0.988W0.012O2 (70nm)/ZrO2(180nm)薄膜可见光透过比可达到57.2%,所制备ZrO2(180nm)/V0.988W0.012O2(70nm)/ ZrO2(205nm)薄膜的相变温度降低到40ħ㊂此外,该组研究人员还选用SiO2作为顶层增透层设计了VO2/SiO2双层结构,SiO2薄膜的引入可将室温下可见光透过比T lum提高16%,同时提升太阳辐射调节能力,从7.7%提高到了10.3%[44]㊂图7㊀ZrO2/V1-x W x O2/ZrO2薄膜光学模型及透过光谱[45]Fig.7㊀Optical model and transmittance spectra of ZrO2/V1-x W x O2/ZrO2films[45]4㊀结论与展望HiPIMS技术具有高峰值功率密度㊁高电离度和高等离子体密度等特点,是磁控溅射发展的重要方向,在大规模生产和使用中也具有潜在应用价值㊂基于上述优点,HiPIMS技术被广泛的应用于沉积VO2薄膜,通过调控高能脉冲磁控溅射的沉积参数,控制溅射出来的金属靶粒子能量,实现低温原位制备VO2薄膜㊂HiPIMS技术的放电特性受到沉积气体和靶材的影响㊂在采用高能脉冲磁控溅射的过程中氩氧比㊁溅射功率㊁基片偏压和沉积温度等参数都会对VO2薄膜的性能产生影响㊂目前HiPIMS技术沉积的VO2薄膜的研究主要集中于降低VO2沉积温度和优化工艺参数得到结晶良好VO2薄膜,进而获得柔性VO2薄膜和提高薄膜的环境稳定性㊂但是在利用HiPIMS技术制备VO2的过程中仍需面临许多挑战,现总结如下两点:1)在应用HiPIMS技术沉积VO2薄膜的过程中,靶表面以及仓体里的状况对沉积过程具有显著的影响,研究如何避免因靶材中毒产生电弧放电现象以及高峰值离子电流引起的基底偏置,将对沉积薄膜的质量提高具有重要意义㊂2)与传统磁控溅射技术制备VO2薄膜相比, HiPIMS技术溅射过程中成膜机理尚未厘清,缺乏制备参数对成膜性能影响规律的详细研究,仍需要开展大量研究工作㊂综上所述,未来对HiPIMS技术制备VO2薄膜的固有溅射机制㊁电弧现象以及相对复杂的工艺技术等进行更加深入的研究,将有利于推进VO2薄膜在智能窗㊁智能热控㊁微辐射计和微机械等领域的应用㊂参考文献:[1]FORTIER J P,BALOUKAS B,ZABEIDA O,et al.Ther-mochromic VO2thin films deposited by HiPIMS[J].Solar energy materials and solar cells,2014,125:291-296.[2]左潇,孙丽丽,汪爱英,等.高功率脉冲磁控溅射制备㊃422㊃第2期谷金鑫,等:高能脉冲磁控溅射技术制备VO2薄膜研究进展非晶碳薄膜研究进展[J].表面技术,2019,48(9): 53-63.ZUO Xiao,SUN Lili,WANG Aiying,et al.Research pro-gress on preparation of amorphous carbon thin films by high 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二氧化钒薄膜的研究进展
二氧化钒薄膜的研究进展
张华;肖秀娣;徐刚;柴冠麒;杨涛
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2014(028)013
【摘要】系统总结了VO2薄膜常用的制备方法,并针对目前热色智能窗用VO2薄膜存在的问题,如透过率低、调节率不理想等,详细综述了提高VO2薄膜性能的工艺改进途径,包括沉积减反层、加入折射率小的材料、掺杂等,以揭示改善VO2薄膜的最佳途径,为推进VO2智能窗的实用化提供依据.
【总页数】5页(P56-60)
【作者】张华;肖秀娣;徐刚;柴冠麒;杨涛
【作者单位】中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院大学,北京100049;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广州510640;华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广州510640
【正文语种】中文
【中图分类】TB321
【相关文献】
1.二氧化钒薄膜智能窗的研究进展 [J], 王超;赵丽;王世敏;董兵海;万丽;许祖勋;梁子辉;宋成杰;
2.二氧化钒薄膜相变特性及其制备研究进展 [J], 李建国;安忠维;
3.二氧化钒薄膜制备方法和热致相变性质的研究进展 [J], 张晟熙;杨鑫;程江;张进
4.二氧化钒薄膜制备方法研究进展 [J], 韩政义;马健伟;马鉴琪;邓冀童;黄岩;王艺帆
5.二氧化钒薄膜制备工艺及其在开关器件的应用研究进展 [J], 王晨;王承浩;王琦;成丁尔;张大伟
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基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件
基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件I. 前言在科学技术的日新月异中，太赫兹技术(hertzian technology)被广泛应用于无线通信，安检以及医疗等领域。
其中，太赫兹开关器件因其高速度和低功耗正在吸引越来越多的关注。
近年来，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件渐成研究热点，促进了该领域的迅猛发展。
II. 介绍二氧化钒薄膜是一种可调制的材料，可用于光学、光电和电学开关设备的制造。
同时，太赫兹辐射被展示出非常重要的特性，如能够穿透纸张、塑料和壁板，因此太赫兹开关器件具有许多实际应用价值。
基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件具有快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压等优点，非常适合各种高速数字和光通信应用。
III. 材料及从技术上讲的关键点基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件是通过收集射频辐射信号并将其转换为光信号来工作的。
这种器件的关键组件是一个光学谐振腔，这个谐振腔由一个二氧化钒薄膜构成。
它的厚度通常小于100 nm，且其材料特性可通过加压改变，可视为压电效应的一种。
当薄膜压电电流被加到薄膜上时，由于薄膜的光学特性而导致谐振腔的频率发生变化，从而影响腔内的光子传输和反射的能力。
在薄膜被恢复至其原始状态时，机构就可以响应。
IV. 应用和前景基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件可以应用于医学成像、无线通信以及安全监测等领域。
这种器件的快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压等优势使其成为制造高速数字和光通信器件的理想选择。
此外，研究人员也正在改进这种器件的性能，使其能够应对具有更强信号传输要求的市场需求。
随着技术的进一步改进，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件的应用前景无疑是十分广阔的。
V. 结论总体而言，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件是一种非常有前途的器件，可用于无线通信、医疗成像和安全监测等领域。
该器件的快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压确保了其可靠性和性能。
未来研究人员应当不断改进这种器件，以满足不断变化的市场需求并为更多应用领域服务。
《2024年电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》范文
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》篇一一、引言二氧化钒（VO2）因其独特的相变特性，在众多领域如热调控、光电开关、微电子学等均展现出广阔的应用前景。
其相变性能的调控方法多种多样，其中电子注入法因其高效、可控制的特点，逐渐成为研究的热点。
本文将深入探讨电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控机制及其影响。
二、电子注入法的基本原理电子注入法是通过向二氧化钒薄膜中注入特定能量的电子，使其在电场的作用下产生电荷变化，从而触发其发生从低导电性绝缘体相（MONR相）到高导电性金属相（M1相）的转变。
在这个过程中，所施加的电压大小和时长会直接影响到薄膜相变的程度。
三、电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控（一）电压的影响通过改变电子注入过程中所施加的电压大小，可以实现对二氧化钒薄膜相变程度的控制。
较高的电压能促使更大量的电子注入，加速薄膜的相变过程，使得其在短时间内实现由绝缘体向金属的转变。
然而，过高的电压也可能导致薄膜的结构损伤，影响其稳定性。
（二）时间的影响电子注入的时间长短也会对二氧化钒薄膜的相变性能产生影响。
在一定的电压下，延长电子注入的时间可以增加电荷在薄膜中的积累，从而促进其向金属相的转变。
然而，过长的电子注入时间可能导致薄膜过度饱和，反而降低其相变性能。
（三）温度的影响温度是另一个影响电子注入法调控二氧化钒薄膜相变性能的重要因素。
在一定的电压和时间内，温度的升高可以加速电子的运动和注入过程，从而加速薄膜的相变过程。
然而，过高的温度也可能导致薄膜的结构变化，影响其稳定性。
四、实验结果与讨论通过实验我们发现，适度的电子注入可以在不破坏二氧化钒薄膜结构的前提下，有效地提高其相变性能。
具体而言，我们通过调整电压、时间和温度等参数，成功实现了对二氧化钒薄膜相变过程的精确控制。
同时，我们还发现电子注入法可以显著提高二氧化钒薄膜的导电性能和光学响应速度。
五、结论与展望本文通过对电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的深入研究，发现该方法具有高效、可控制的优点，能够实现对二氧化钒薄膜相变过程的精确控制。
热致变色二氧化钒薄膜的研究进展
热致变色二氧化钒薄膜的研究进展*刘东青,郑文伟,程海峰,刘海韬(国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室,长沙410073)摘要 二氧化钒薄膜具有优异的热致变色特性,已成为功能材料领域研究的热点。
结合二氧化钒的结构分析了其热致变色特性;综述了二氧化钒薄膜的制备方法,着重评述了溅射法、化学气相沉积法及溶胶-凝胶法等几种常用方法;阐述了二氧化钒薄膜在智能窗、新兴光子晶体、伪装隐身技术方面的应用前景;最后指出了其今后的研究与发展方向。
关键词 热致变色 二氧化钒 薄膜 伪装隐身中图分类号:T B34;O484 文献标识码:AResearch Prog ress on T herm ochromic V anadium Dioxide T hin FilmLIU Dongqing,ZH ENG Wenw ei,CHEN G H aifeng,LIU Haitao(K ey L ab of CFC,National U niv ersity of Defense T echnolog y,Changsha 410073)Abstract T he V O 2thin film,w hich has ex cellent thermochr omic pr operties,has been one o f the most interes -ting functional materials.T he thermo chr omic pr operty is analysed combined w it h the cry st al st ructur e of V O 2.T he preparatio n metho ds of V O 2thin film,especially sputt ering,chemical v apo ur deposition and so-l g el metho ds,a re presented.V O 2thin film has g reat pro spects in many fields,and the po tential applicatio ns in smar t w indow ,especially in the new fields:photo n cr ystal,camouflag e and stealthy technolo gy ,ar e view ed.F inally,the futur e st udy and de -velo pment directio ns ar e po inted o ut.Key words ther mochromic,vanadium dio xide,thin f ilm,camouflag e and st ea lth*武器装备预研基金刘东青:男,1986年生,硕士研究生,主要从事功能薄膜与伪装材料方面的研究 E -mail:dong qing_1986@0 引言二氧化钒(VO 2)是一种过渡金属氧化物,自1959年F.J.M orin [1]在贝尔实验室发现V O 2具有金属-绝缘体相变(M IT )的性质以来,研究者们就对这种氧化物产生了极大兴趣,在结构特征、相变机理、合成制备及实际应用等方面开展了广泛的研究。
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( 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室 , 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要 : VO2 在 68 e 左右发生低温 半导体态到高温金属态的相变 , 其 电学和光 学性质发生 突变 , 在热、 电开
关和光存储 介质方面有着广泛的应用 . 然而钒和 氧作用 生成的 薄膜是钒 的各种 价态的 氧化物 如 VO、 V2 O3 、 VO2 、 V2 O5 的混合体 , 要得到纯的 VO2 很难 . 人们做了 很多工 作来研究 其电气 化学的 性质 , 并用了 多种方 法 来镀制 VO2 薄膜 . 通过对 VO2 一些有代 表性的研究成果 , 从薄膜制备、 降低相变温度以及 VO2 应用前景等几 个主要方面来介绍了 VO2 研究最近的一些进展 . 关键词 : 二氧化钒 ; 相变温度 ; 薄膜制备 中图分类号 : O436 文献标识码 : A 文 章编号 : 0367 - 6234( 2002) 04 - 0570 - 03
4+
, 重庆光电技术研究所和电子理工大学
[ 8]
也制备了用于非制冷红外探测器的 VOx 薄膜 . 目前对二氧化钒的研究主要集中于如何获得 高品质薄膜以及如何降低相变温度等方面.
1
高品质 VO2 薄膜制备技术的探索
由于金属钒的氧化物种类很多 , 使得制备高
纯度 VO2 较为困难. 目前的制备方法有很多种, 如普通反应 蒸发、 离化反应蒸发、 粒子束反应蒸 发、 磁控溅射、 溶胶 - 凝胶 ( sol gel ) 、 无机 sol gel、 激 光剥离以及液相沉积法等 . 由于在不同的制备方 式下 , 最佳的制备条件不尽相同, 而这些参数对于 所制备薄膜的热开关性质的影响又很大 , 现在大 部分工作都集中在探索不同制备方式下的最佳制 备条件上
收稿日期 : 2002- 03- 10. 作者简介 : 刘金城 ( 1945 - ) , 男 , 副研究员 ; 掌蕴东 ( 1957 - ) , 男 , 教授 , 博士生导师 ; 王 骐 ( 1942 - ) , 男 , 教授 , 博士生导师 .
4 [ 2] [ 1]
特点 , VO2 可广泛应 用于电 开关和 光开关 器件. 作为功能材料 , 它在温度传感、 光存储、 可变反射 率镜和激光防护等领域有广泛应用前景
[ 18]
外 延 型的 VO2 相 变 温 度仅 为
45 e , 远远小于通 常所看 到的 VO2 的相 变温度 ( 68 e ) , 而且热迟滞现象也不明显, 这使得它成 为一种在非掺杂情况下能够比较有效的降低相变 温度的方法. 这种方法的缺点是由此制备的外延 型 VO2 的电阻率变化幅度仅为 10 量级, 远远低 于采用无机 sol ) gel 等其他方法制备良好的 VO2 薄膜相变跃迁后的电阻率变化幅度 .
[ 3~ 10]
.
在近年来的应用研究中, 光谱选择发射材料 ( SSRM) 如 SiO 沉积在金属基底上 , 用它在大气窗 口光谱范围 内的高红外发射的性质 , 可使 SSRM 表面温度低于周围环境温度 . 在金属基底和 SiO 之间加入 V 1- x W x O2 . 当 V1- x W x O2 相变温度低于 周围环境温度时 , 可使 SSRM 表面温度保持在相 [3] 变温度 . 通过调整 x 可以控制相变温度 . VO2 薄膜可用于温度探测器 , 用 VO2 和 Fe 2O3 薄膜制 成的温度探测器可记录在 + 18 e ~ + 60 e 特定 的值, 并且对从室温到+ 64 e 的温度升高的记录
[ 7] [5, 6]
要严格控制基底温度、 通入氧气的含量等, 这些都 直接影响到所制备的是四价钒还是其他价钒. 比 如在激光剥离法 ( laser ablation)
[中 , 当基底温度为 500 e 时 , 随着 O2 气压 从 1. 333 Pa 上升至 3. 999 Pa, VO2 薄膜性质趋于 更好, 恰好与温度较低时 ( 300 e ) 时的情况相反; 当镀膜温度在 400 e 时, 最佳 O2 气压为2. 666 Pa. 可见氧气的通入量和基底温度对制备膜性质有很 大影响 , 这些参数的选取在制备二氧化钒膜时都 应该充分考虑 . 另外由于不同的制备方法金属钒 的蒸发速率、 与氧气发生反应的时间等都不同, 所 以薄膜最佳制备条件也有很大差异 . 在各种采用 反应蒸发方式制备 VO2 的方法 中, 磁控溅射法由于具有工艺参数易于控制、 所镀 制薄膜与基底附着力强等优点, 目前仍是主要研 究的 VO2 薄膜制备方法 . 哈尔滨工业大学光电子 技术研究所采用该方法研究了不同薄膜厚度、 不 同氧气通入量情况下薄膜中 VO2 的 含量变化情 况. 通过采用 X 光电子能谱仪( XPS) 对生成膜中 4+ V 含量的测定 , 发现在镀制膜厚度 150 nm 、 基底 温度 280 e 、 溅射功率 250 W 的情况下 , 氧气的分 气压在 0. 160 Pa 左右对于获得高含量 VO2 较为 有利 . 同时对于较厚的薄膜, 在其他镀膜条件相 同下, 适当降低通入氧含量也会有助于提高薄膜 中V
. 利用它的这些
第 4期
刘金城 , 等 : 二氧化钒薄膜研究的最近进展
[ 4]
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有存储功能 . 可用于防火和控制系统 . VO2 还 可用于制备非制冷红外探测器, 由美国 Honeywell 技术中心以及 Amber 公司 领先的 320 @ 240 或 336 @ 240 元 VO2 微测辐射热红外焦 平面阵列在 1996 年已引起世人瞩目. 国内对这一领域的研究 才刚刚起步, 到 2001 年已取得一些成果 . 华中科 技大学应用微电子工艺制备了 8 元线列 VO2 红外 探测器
2
. 这种方法是通过向 V2 O5 溶液中
加入铝来实现的 . 这种方法制备的薄膜同样具有 与基底的附着能力强的优点. 以上这两种制膜方 法的共同缺点是制备参数不易控制 . 采用反应蒸发方式制备 VO2 薄膜时 , 关键是
# 572 #
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
第 34 卷
掺杂法是一种比较有前途、 能有效降低 VO2 相变温度的方法 . 掺杂的过程实际上就是一个逐 步破坏 VO2 半导体态稳定性的过程 . 其原理是通 过掺杂离子对二氧化钒中氧离子或钒离子的取代 来破坏 V
[ 2, 11~ 16]
.
[ 2]
采用无机 sol ) gel 方法 制备的 VO2 薄膜的 相变温度大约是 60 e , 所制备膜的电阻率的变化 幅度在 4、 5 个量级 . 较低的相变温度以及良好的 热开关性能为 VO2 薄膜的商业应用 创造了良好 的条件 . 另外这种方法可以在非晶基底上镀膜, 具有制备膜与基底的附着力强、 膜层表面光滑等 突出优点 , 并且薄膜制作过程非常 简单, 费用低 廉. 文献 [ 11] 用了 文献 [ 2] 的水成 溶胶 ( aqueous sol) 方法和醇盐溶胶( alkoxide sol) 方法以及直流磁 控溅射方法制备了 VO2 薄膜 , 得到的相变前后电 阻率数量级的变化分别为 3. 0、 2. 0~ 2. 5、 2. 0, 低 于文献 [ 2] 所得到的电阻变化率. 热迟滞环宽度 分别为 7、 10 、 15 e . 光学性质方 面, 由于第一种 方法得到的薄膜较厚 , 在半导体态时的反射率较 高, 相变前后透过率变化较小 , 另两种方法得到的 薄膜性质相差不多. 文献 [ 11] 认为 aqueous sol 方 法要好于 alkoxide sol 方法 . 另外一种可以制备非 晶薄膜的方法是液相沉积法 ( Liquid -Phase Deposi tion ) LPD)
第 34 卷 第 4 期 2 0 0 2 年 8 月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol. 34 Aug . , 2 0 0 2
No. 4
二氧化钒薄膜研究的最近进展
刘金城, 鲁建业, 田雪松, 掌蕴东, 袁 萍, 王 骐
Recent progress in research on VO2 thin film
LIU Jin - cheng, LU Jian - ye, TIAN Xue - song, ZHANG Yun - dong, YUAN Ping, WANG Qi
( National Key Laboratory of Tunable Laser Technology , Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
[ 12]
的含量. 有趣的是, 他们在实验当中观察
到 VO2 、 V2 O3 、 V2 O5 均以较高含量同时出现 , 这一 现象与文献 [ 17] 所得到的结论有所不同 , 有待进 一步深入探讨研究.
2 降低 VO2 相变温度的研究进展情况
VO2 的相变温度在 68 e 左右时, 高的相变温 度大大阻碍了 VO2 的应用 . 但到目前为止, 人们 还没有找到一种切实可行的办法生产出高光透对 比度、 低相变温度的 VO2 薄膜来满足商业应用的 需要 . 对于降低相变温度的努力主要集中在两个 方面: 一个是在不掺杂的情况下探索不同的薄膜 [ 18] 制备工艺 ; 另一个就是采取掺杂的办法 . 研究 表 明
+ 4
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