掺杂与厚度对薄膜VO2相变特性的影响

摘要

VO2固体氧化物是一种典型的热致相变功能材料，在68℃附近会发生从半导体特性的单斜结构位相到金属特性的金红石结构位相的可逆转变。伴随着晶体结构相变的发生，VO2的光学及电学性质也会发生突变。由于这种相变过程是在皮秒量级上发生的，并且多次可逆，因此VO2具有诱人的应用前景。
　　在实际应用中，为了避免结构相变引起的体积变化，薄膜VO2被更广泛地使用。相对于固体材料，VO2薄膜的相变特性变化范围更大，更加不确定。在块状VO2中，伴随着结构变化，电阻率会在大约1℃的回滞宽度内发生4个数量级的突变，而多晶薄膜的电阻率数量级变化通常在1~3之间变化，同时多晶VO2薄膜的回滞宽度可以达到36℃左右的宽度。薄膜材料的使用，使得VO2的相变特性更加多变，因此拓宽了它的应用范围，同时也使得我们对于VO2在某些方面的应用有了更多改进的空间。本文通过研究厚度以及掺杂对VO2薄膜的相变特性的影响，建立起了VO2相变的部分影响机制，实现了对薄膜VO2相变的简单调制。
　　通过严格的控制变量法，本文成功地使用溅射氧化耦合方法制备了不同厚度的高质量VO2薄膜。试验中，随着薄膜厚度的增长，VO2 电阻率数量级放大以及回滞宽度收缩被同时发现，当薄膜厚度增加到463nm时，VO2的电阻突变数量级达到了3.5，但同时回滞宽度却只有3℃。通过分析影响相变过程的各种因素，我们将这些结果同实验中薄膜颗粒度扩张这一现象联系起来，颗粒度对薄膜VO2电阻率数量级以及回滞宽度的影响机制同时得到了建立。
　　另外，本文成功通过溅射氧化耦合法实现了对VO2薄膜的掺杂，验证了Cr和Ti两种元素对VO2相变特性的影响作用，并对比两种元素掺杂后回滞宽度不同的变化趋势，分析了掺杂对薄膜VO2相变回滞宽度的影响。

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第一章. 绪论

1.1 研究背景

1.2 VO2的晶体结构变化

1.3 VO2相变特性

1.4 VO2薄膜的相变特性

1.5 VO2薄膜的应用以及性能优化

第二章. VO2薄膜的制备及表征

2.1 主要制备方法

2.2 磁控溅射氧化耦合法及其特点

2.3 薄膜制备实验平台

2.4 表征分析

第三章. 厚度对薄膜VO2相变特性的影响研究

3.1实验说明

3.2测试与分析

第四章. 掺杂对薄膜VO2相变特性的影响研究

4.1掺杂改变VO2性能的机理

4.2溅射氧化耦合法掺杂

4.3掺杂氧化钒的测试分析

第五章. 结论

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的成果

致谢