溅射氧化耦合法合成W掺杂VO2纳米薄膜及其性质的研究

摘要

VO2薄膜作为一种温度相变特性的功能材料，具有较高的热电阻、温度系数，一直被科学界广泛关注。当温度近68℃时，VO2薄膜发生从低温单斜结构向高温四方金红石结构的转变并伴随光学、磁学、电学性质的可逆性突变，由于这种特性，使得VO2薄膜具有广泛的应用。但由于VO2的相变温度(Tc)近68℃，限制了VO2的一些应用，现在发现VO2纳米薄膜具有一些更优异的性能。因此，寻求更简单的方法合成高质量、低相变温度(室温附近)的VO2纳米薄膜是近来VO2薄膜的研究热点。
　　 研究表明通过对VO2掺杂可以将相变温度降低到室温甚至室温以下。本文采用溅射氧化耦合法，以Al2O3(001)为基底，制备了W掺杂VO2纳米薄膜；首先，通过对不同氧化温度下样品的研究可知，W掺杂VO2纳米薄膜最佳氧化温度为430℃；其次，采用四探针测试仪测试了薄膜在不同温度下的方块电阻，从而确定了VO2和W掺杂VO2纳米薄膜的相变温度从68℃下降至40℃：然后，运用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分别对薄膜的微观结构以及组分进行了分析；最后，利用紫外至红外(250-2500nm)光谱仪测试了薄膜在常温和高温下的透过率并通过Film Wizard软件对薄膜的透过率的拟合，获得了薄膜的光学常数如：折射率(n)和消光系数(k)随光电子能量(E)变化的关系曲线。根据电阻-温度曲线和XPS测试结果，认为W的掺杂量与薄膜相变温度的变化量具有一定的线性关系；在W掺杂VO2纳米薄膜中随着W掺杂量的增加，薄膜的相变温度逐渐下降，但相变前后薄膜的电阻数量级变化量和红外透过率改变量愈来愈不明显；W掺杂VO2纳米薄膜的光学折射率(n)和消光系数(k)相比VO2薄膜也发生有规律的变化。运用公式分别计算出W掺杂VO2纳米薄膜样品的能带，结果表明，随着W的掺杂量的增加薄膜能带逐渐下降。
　　 本论文也对溅射氧化偶合法(SOC)和目前常用的掺钨二氧化钒薄膜的的制备技术进行了较为全面的介绍和比较。可以看出，溅射氧化偶合法(SOC)对于其它制备技术来说，其突出优点是成本低、成膜率高、操作简便、掺杂过程简单易行、利于仪器保护，而且其产品的各项性能均较好。