射频磁控溅射法制备VO热致变色镀膜玻璃及其表征

摘要

VO2在68℃附近能发生半导体＝金属相变。VO2薄膜的光电性质、特别是近红外光透过率在相变点发生突变，因此VO2成为了一种可以根据温度控制太阳光透过率的智能窗镀膜材料。本文采用反应磁控溅射法，分别利用还原退火及直接溅射沉积两种方法尝试制备了VO2薄膜，并最终在较低沉积温度下(300℃)成功制备出了具有良好相变性能的VO2薄膜，这是本文的独到和创新之处。 本文重点研究了氧分压变化及热处理条件对薄膜的结构与性能的影响，并讨论了玻璃基片上预镀Si02膜对热处理过程中薄膜结构及性能的影响。在基片为300℃时，制备了不同厚度的VO2相变薄膜，研究了不同厚度下薄膜结构及光电性能的变化。得到的结论如下： 1)随着溅射工作气体中氧分压的增加，薄膜沉积速率逐渐降低；当氧分压增大至3％左右时，薄膜的沉积速率趋于稳定。随着氧分压的增加，薄膜中低价钒氧化物的成分逐渐减少，V2O5的含量逐渐增加，薄膜的方块电阻也随之增大；当氧分压增大至1.72％时，薄膜中只含有V2O5成分。常温下，溅射沉积得到的氧化钒薄膜均为非晶态，不具备相变性能。 2)Na+阻碍了氧化钒薄膜的析晶。在普通载玻片上预先镀一层SiO2膜，能在热处理过程中有效阻挡基片中Na+向氧化钒薄膜中扩散。在镀有Si02膜的载玻片上溅射沉积了V2O5薄膜，再在450℃还原气氛中热处理，热处理后薄膜结晶良好；随着热处理时间的延长，薄膜中V的价态逐渐降低，但并未发现VO2成分，薄膜的方块电阻随热处理时间的延长先减小而后增大。 3)在基片温度为300℃时，成功地沉积制备出了具有半导体—金属相变性质的VO2薄膜，薄膜的晶体结构在常温下为单斜畸变四方相金红石型。随着溅射时间的延长，晶粒呈明显的四方型，在(011)方向具有明显择优取向。VO2薄膜方块电阻的变化率｛Lg△R(26℃/90℃)}由溅射沉积5分钟时的0.65个数量级提高到35分钟时的2.78个数量级，热滞回线趋于陡峭，相变温度逐渐升高；随着溅射时间的延长，薄膜的可见光透过率依次降低(由37％降低到3％)，所有的样品均表现出较为明显的红外开关性能，随着膜厚的增加，薄膜在低温和高温下的红外反射率变化幅度逐渐增大，最高可达59％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

引言

1.1二氧化钒薄膜的相变性质及其应用

1.2二氧化钒薄膜用于热致变色智能窗玻璃的研究进展

1.3本论文研究的意义和目的

1.4本章小结

第2章二氧化钒的基本性质及其薄膜制备工艺

2.1钒的性质

2.1.1钒的发现历史及储量

2.1.2钒的主要物理化学性质

2.2钒氧化合物及其性质

2.3二氧化钒的物理化学性质

2.3.1二氧化钒的主要物理化学性质

2.3.2二氧化钒两相的晶体结构

2.3.2二氧化钒两相的能带变化

2.4二氧化钒薄膜相变前后光电性能的转换

2.5二氧化钒薄膜的制备技术

2.5.1真空蒸镀法

2.5.2脉冲激光沉积法

2.5.3溶胶-凝胶法

2.5.4磁控溅射法

2.6本章小结

第3章薄膜的理论基础

3.1薄膜的生长过程

3.1.1气相离子的吸附

3.1.2薄膜的形成

3.2薄膜的结构和缺陷

3.2.1薄膜的晶体结构分析

3.2.2薄膜的缺陷

3.3本章小结

第4章二氧化钒热致变色薄膜的制备及表征方法

4.1靶材的选购

4.2玻璃基片的清洗

4.3实验的主要装置

4.3.1溅射镀膜设备

4.3.2气氛退火装置

4.4制备二氧化钒薄膜的工艺流程

4.5薄膜试样的结构和性能表征方法

4.5.1薄膜厚度的测定

4.5.2薄膜成分的测定

4.5.3薄膜结构的测定

4.5.4电学性能测试

4.5.5光学性能测试

4.5.6中红外反射率测试

4.6本章小结

第5章工艺参数对薄膜结构和性能的影响

5.1氧气分压对薄膜性能的影响

5.1.1氧分压对溅射沉积速率的影响

5.1.2氧分压对薄膜电学性能的影响

5.1.3氧分压对薄膜成分的影响

5.1.5氧分压对薄膜光学带隙的影响

5.2热处理对薄膜结构及性能的影响

5.2.1热处理气氛的选择及方案的确定

5.2.2氧化钒薄膜热处理过程中SiO2阻挡层的作用及制备

5.2.3结果讨论与分析

5.3本章小结

第6章相变型VO2热致变色薄膜的制备及其性能表征

6.1 VO2热致变色薄膜的制备

6.2最佳氧气分压的确定

6.3实验结果分析及性能表征

6.3.1薄膜的结构分析

6.3.2薄膜的形貌分析

6.3.3薄膜的电学性能

6.3.4薄膜的光学性能

6.4本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文