有机SOL-GEL法制备掺杂氧化钒薄膜及其电学性能研究

摘要

二氧化钒薄膜是一种新型热敏功能材料，这种材料的显著特点是，伴随温度上升，当温度提高到大约68℃，将从畸变金红石结构转变为四方金红石结构，即从半导体态转为金属态。这样的转变带来了电阻率和红外光透过率这些性质的改变，由于二氧化钒薄膜的这种特殊的性质，这种材料在光信息存储、光电开关和智能窗这些方面，有非常广阔的应用价值。另外，研究也发现，如果把微量的其他元素以杂质的形式注入二氧化钒薄膜中，可以导致发生相变的温度点改变，特别的是，当掺入少量的高价态杂质元素时，薄膜的相变温度降低。
　　 针对氧化钒薄膜的研究发展动向和实践的需要，本论文以掺杂为研究重点，分别掺入了两种金属杂质离子：Mo6+以及W6+，研究了掺杂对VOx薄膜电学性能产生的影响进行了基础研究。主要工作如下：
　　 首先利用有机sol-gel法分别制备了同为6价态的掺钼和掺钨的VOx薄膜，利用四探针测试仪及椭偏仪等分别测量所制备薄膜样品的方阻和厚度。通过改变掺杂浓度，测定了在不同掺杂浓度下VOx薄膜的电阻—温度关系曲线，并且分析了掺杂浓度、膜厚等因素对薄膜方阻以及薄膜均匀性的影响。结果表明，Mo原子和W原子掺杂均可有效地降低氧化钒薄膜室温方阻，并且提高薄膜的室温TCR。但是W原子掺杂比Mo原子掺杂能更有效地提高薄膜这两方面的电学性能。研究也发现，当Mo元素掺杂浓度增加到10％，W元素掺杂浓度增加到5％，薄膜方阻增加，TCR却反而降低，即出现重掺杂的问题。另外，研究发现，和未掺杂的情况相比，两种掺杂的薄膜电阻均匀性较好，说明掺杂对薄膜的均匀性均有一定改善作用。
　　 其次，分别对两种掺杂氧化钒薄膜成分进行了XPS微观分析。实验表明，薄膜中的杂质元素是以Mo6+和W6+的形式存在，均未在制备过程中参与化学反应。通过分析发现，掺入杂质取代了氧化钒的部分V4+，两种杂质的掺入有利于提高V5+到V4+的转化率，进而使得钒离子的平均价态降低。同时比较了两种掺杂元素氧化钒薄膜的XPS窄程扫描图，在此基础上从微观角度分析了掺杂的不同对氧化钒薄膜的影响。
　　 论文的研究表明，掺杂是一种能有效提高氧化钒薄膜电学性能的途径。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 VO2氧化钒薄膜的应用

1.3 VO2氧化钒薄膜用于非致冷红外焦平面阵列

1.4 氧化钒薄膜的主要制备方法

1.4.1 溶胶—凝胶法

1.4.2 溅射法

1.4.3 反应蒸发法

1.4.4 其它制备方法

1.4.5 薄膜制备方法比较

1.5 氧化钒薄膜掺杂的作用

1.6 掺杂氧化钒薄膜的制备方法

1.6.1 溅射法掺杂

1.6.2 反应蒸发镀法掺杂

1.6.3 水热合成掺杂

1.6.4 离子注入法掺杂

1.6.5 溶胶一凝胶掺杂

1.7 常见氧化钒的结构及性质

1.7.1 五氧化二钒

1.7.2 二氧化钒的结构

1.7.3 二氧化钒的能带结构变化

1.7.4 二氧化钒薄膜的性质

1.8 掺杂对相变的影响

1.9 选题依据及主要内容

第二章 实验方法

2.1 试剂及仪器

2.1.1 主要试剂

2.1.2 仪器

2.2 掺杂VOx薄膜制备的工艺流程

2.3 基片的处理

2.4 旋涂成膜

2.5 掺杂VOx薄膜性能测试手段

2.5.1 掺杂VOx薄膜电学性能测试

2.5.2 成分分析-X射线光电子能谱

2.5.3 厚度测试—椭圆偏振法

2.6 小结

第三章 掺钼VOx薄膜的制备及特性研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 实验结果与分析

3.3.1 掺杂浓度对薄膜电学性能的影响

3.3.2 钼掺杂氧化钒薄膜的均匀性

3.3.3 厚度对电学性能的影响

3.3.4 掺钼VOx薄膜的成分分析

3.4 小结

第四章 掺钨VOx薄膜的制备及特性研究

4.1 试验方法

4.2 实验结果与分析

4.2.1 掺杂浓度对薄膜电学性能的影响

4.2.2 钨掺杂氧化钒薄膜的均匀性

4.2.3 厚度对电学性能的影响

4.2.4 掺钨VOx薄膜的成分分析

4.3 两种元素掺杂结果比较

4.3.1 薄膜的均匀性

4.3.2 薄膜的方阻与TCR

4.3.3 掺杂元素在薄膜中的存在形式

4.3.4 微观分析比较

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果