并且相变前后其电导率光折射率

热致及光致相变的VOx薄膜的研究进展报告人：朱乃伟指导教师：胡明教授摘要前言国内外氧化钒薄膜相变研究进展蓝宝石衬底简介课题实验计划前言钒作为一种过渡金属，可与氧发生反应形成多种氧化物。这些钒氧化物中以V3+、V4+和V5+价态的钒为主。其中VO2在室温附近具有从半导体相到金属相的相变特性。这种相变时间很短，接近ns量级，并且相变前后其电导率、光折射率、光反射率等发生显著的变化。因而可以广泛地应用于光开关，温度传感器，信息存储等领域。前言VO2不仅可以再室温附近发生可逆的热致相变，在光激励下和电激励下还会发生可逆的光致相变和电致相变，是一种能够对多种外界刺激产生响应的多功能材料。因此VO2具有巨大应用前景。由于单晶块体VO2多次相变会发生碎裂，实际应用中一般将VO2制备成延展性较好的薄膜以克服这一不利影响。前言近几年国内外VO2薄膜光致相变研究越来越多，光激励下的VO2薄膜可以在1ps内发生相变，远低于热致相变的相变时间（ns量级）。是制作高速光开关器件的理想材料。然而+4价的V离子是不稳定的，所以，制备高纯度的VO2薄膜是非常困难的。所以，制备VO2薄膜时一般都会混有V3+、V5+等钒氧化物，我们把这种纯度不高的VO2薄膜定义为VOx。国外氧化钒薄膜相变研究进展YongZhao等人（美国2012）在C-面、R-面、M-面蓝宝石基底上生长120nm厚的VO2薄膜。使用99.95%高纯钒靶，溅射压强3mtorr（0.4pa），氩氧比为100:11，575℃条件下溅射，无热处理。R-面蓝宝石基底的VO2薄膜MIT前后电阻率变化9*104倍，热致宽度小于3.9K，THz调制度达到98%，其热致相变特性优于C-面、M-面蓝宝石基底的VO2薄膜国外氧化钒薄膜相变研究进展D.J.Hilton等人（美国2007）利用射频磁控溅射法（13.56MHz）在（100）晶向的MgO基底上建设晶向为（011）的VO2薄膜，膜厚100nm。使用99.99%高纯钒靶，氩气与氧气总压强2mtorr（0.2667pa），溅射温度500℃。VO2薄膜热致相变电导率幅度变化达到3个数量级，热致宽度小于5K。室温下光致相变电导率幅度变化达到2个数量级。国外氧化钒薄膜相变研究进展PankajMandal等人（美国2011）利用RF-磁控溅射法在500μm厚，晶向为（0001）的蓝宝石基底上溅射200nm厚的VO2薄膜。靶材为VO2。溅射功率270w，腔体气压10mtorr（1.333pa），温度550℃。VO2薄膜热致相变前后THz透过率变化85%。国外氧化钒薄膜相变研究进展A.Pashkin（美国2011）等人在化学气相沉积制作的金刚石基底上用脉冲激光沉积法生长120nm厚的VO2多晶薄膜。用KrF准分子激光器在氧分压250mtorr（33.33Pa）剥离靶材中的V原子，使其淀积在基底上，生长的晶体为非理想配比的晶体，接近VO1.7。之后薄膜在450℃，7*10-3mbar（0.7Pa）氧气压强下氧化，使其接近VO2。VO2薄膜热致相变前后THz透过率变化90%，热致宽度6.5K。光致相变的激发光阈值随着温度降低而升高。国外氧化钒薄膜相变研究进展L.H.C.deLimaJunior等（巴西2012）利用多靶反应磁控溅射法制备VO2薄膜。在抛光的派克斯玻璃基底上溅射VO2薄膜。靶材为纯钒金属，控制Ar-O2压强来制得纯的VO2薄膜。膜厚为90nm。VO2薄膜热致相变电阻率幅度变化达到3个数量级，对650nm的可见光反射率变化达76%。国内外氧化钒薄膜制备方法由上述制备工艺及相关文献可以看出在制备VO2薄膜时，国外大多采用蓝宝石基底。这是由于蓝宝石对Thz且适宜外延生长VO2薄膜。而我们实验室以往采用的Si衬底在制备VO2薄膜时，会造成部分Si氧化成SiO2。影响薄膜对THz波透射性能的测量。蓝宝石不会被氧化，且AL-O键结合牢固不易断裂，可以消除制备VO2薄膜时衬底变化对实验的影响。国内外氧化钒薄膜制备方法制备的膜厚基本在90-200nm之间。薄膜制备较薄，有利于其结晶，并且氧化更加均匀。国外氧化钒薄膜相变研究进展Ultrafastinsulator-metalphasetransitioninVO2studiedbymultiterahertzspectroscopy2011USA国外氧化钒薄膜相变研究进展样品：VO2薄膜制备方法：脉冲激光沉积法基底：金刚石基底靶材：金属钒氧分压：250mtorr（33.33Pa）膜厚：120nm退火条件：温度450℃，氧气压强7*10-3mbar（0.7Pa）opticalpump–multi-THzprobe原理图使用Ti-蓝宝石激光，并分为三束光源(1)激励光源，可产生不同的延迟时间t(2)检测光源，可产生不同的延时时间T(3)门激光，用于控制激光的检测样品被置于液氦低温恒温器中中保持恒温国外氧化钒薄膜相变研究进展国外氧化钒薄膜相变研究进展蓝宝石衬底简介蓝宝石（Sapphire,又称白宝石，分子式为Al2O3）单晶是一种优秀的多功能材料。它耐高温，导热好，硬度高，透红外、THz波，化学稳定性好。广泛用于工业、国防和科研的多个领域（如耐高温红外窗口等）。同时它也是一种用途广泛的单晶基片材料，是当前蓝、紫、白光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）工业的首选基片，也是重要的超导薄膜基片。蓝宝石衬底简介课题实验计划①选用R-面蓝宝石基底在纯Ar气氛下制备不同膜厚50nm-100nm的纯钒薄膜（大约溅射10-20min）②在对金属V膜在纯氧气下进行不同的退火处理升温速率固定为50℃/s退火时间30s-50s退火温度350℃-600℃课题实验计划③对没有相变的薄膜进行氮气退火，观测退火后是否能出现相变，对出现相变的薄膜也进行氮气退火观察其是否能改进其性能。④对制备出的VOx薄膜的电阻温度特性、THz透过率-温度特性、THz透过率-激励光强度进行测试。⑤改进溅射时间、退火条件，摸索制备具有热致及光致相变最佳的工艺条件。⑥选择其他衬底（例如MgO，Si3N4等）在已有的工艺条件下制备VOx薄膜，分析不同衬底对薄膜性能的影响。课题实验计划⑦对性能较好的VOx薄膜进行原子力显微镜（AFM）、x射线衍射（XRD）、x射线光电子能谱（XPS）分析，从薄膜形貌、结晶状态和组成成分分析不同制备工艺对VOx薄膜性能的影响。