VO2薄膜生长及n-VO2/p-GaN界面接触特性研究

摘要

钒-氧化物在临界温度(Tc)会表现出独特的绝缘体—金属相变特性，并伴随着电阻和近红外波段透过率的突变行为。二氧化钒（VO2）的Tc为68℃(最接近室温)。在低于Tc时，VO2薄膜是高电阻的绝缘体，在高于Tc时显示出金属态。晶体结构在相变过程中发生显著变化，即从低温绝缘体单斜结构变化到高温四方金红石结构金属相，且晶格结构变化可逆，故VO2薄膜的相变特性也可逆。这种独特相变行为可以在光电子开关、激光防护和热智能窗等有极大的应用。但是钒-氧化物的复杂性和单一相VO2薄膜的Tc约束了VO2作为新材料的潜力。通过离子掺杂确实可以降低VO2薄膜Tc至室温，但也使相变幅度显著减弱且相变热滞线圈展宽。故生长单一相VO2薄膜并精准调控VO2的Tc且维持光、电突变性尤为重要。 本文旨在采用氧化物分子束外延(O-MBE)技术在P型氮化镓衬底上生长不同厚度的高质量VO2薄膜，获得VO2/p-GaN异质结。通过改变VO2薄膜厚度引入应力的手段来调控VO2相变特性，探究VO2薄膜和VO2/p-GaN异质结的电、光学相变特性。主要的研究内容： （1）通过O-MBE技术在商用的p-GaN/蓝宝石衬底上生长可以精确控制薄膜厚度的高质量VO2薄膜，通过不同的薄膜厚度引入应力来改善相变特性。对VO2薄膜进行X射线衍射仪（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,原子力显微镜（AFM）表征，研究VO2薄膜的晶格结构和形貌。 （2）研究生长在p-GaN/蓝宝石衬底上的不同VO2薄膜厚度在不同温度下的电阻相变特性。在相对暴露环境下放置一年后的VO2薄膜电学稳定性以及温度变化使得VO2/GaN异质结从pn结到肖特基结的转变行为。 （3）研究在p-GaN/蓝宝石衬底生长的VO2薄膜光学透射率特性，包括在近中红外波长范围内VO2薄膜不同温度下的透射率变化，近红外特定波长下不同温度的VO2薄膜光学透射率。还包括在是否有太阳光模拟器作用中不同温度下VO2薄膜电阻性质的变化。 通过实验及表征，我们得到了生长在p-GaN/蓝宝石衬底上的具有单一相并且均匀的高质量VO2薄膜，在56.9℃和62.9℃观察到可逆金属绝缘体相变（MIT）,低于VO2体单晶的相变温度（68℃）。升高的温度将异质结从pn结变成肖特基结。一年后的VO2薄膜仍具有可逆相变特性，但性能变差。在2μm的近红外光照射下VO2薄膜透射率在温度变化时具有28%的突变性。VO2薄膜的电阻值在太阳光下与非阳光照射相比的稍微降低，仍具有电学相变性。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 二氧化钒材料的物理性质与应用

1.1.1 二氧化钒材料的物理性质

1.1.2 二氧化钒材料的应用

1.2 二氧化钒材料的相变机理

1.2.1 Mott相变机理

1.2.2 Peierls相变机理

1.3 二氧化钒薄膜的制备

1.3.1 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）

1.3.2 磁控溅射法

1.3.3 脉冲激光沉积法（PLD）

1.3.4 分子束外延（MBE）

1.4 调控二氧化钒薄膜相变方法

1.4.1 应力引入调控二氧化钒相变

1.4.2 原子掺杂调控二氧化钒相变

1.4.3 偏压电场调控二氧化钒相变

1.5 二氧化钒材料的研究进展及问题

1.5.1 二氧化钒材料的研究进展

1.5.2 二氧化钒材料目前存在的问题

1.6 论文主要研究内容

2 本论文采用的制备方法与表征

2.1 制备方法

2.1.1 分子束外延（MBE）

2.2 表征

2.2.1 X射线衍射（XRD）

2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.2.3 原子力显微镜（AFM）

2.2.4 自制变温电阻测试平台

2.2.5 近红外透射测试

3 二氧化钒及异质结的电学特性研究

3.1 引言

3.2 样品的制备

3.3 实验结果与表征分析

3.3.1 XRD测试结果及表征分析

3.3.2 SEM测试结果及表征分析

3.3.3 AFM测试结果及表征分析

3.4 二氧化钒薄膜电学特性

3.5 二氧化钒薄膜电学稳定性

3.6 VO2/p-GaN异质结电学特性

3.7 本章小结

4 二氧化钒的光学特性研究

4.1 引言

4.2 二氧化钒薄膜的近红外透射

4.3 光照对不同温度二氧化钒薄膜电阻的影响

4.4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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