AlN应力层调控激光脉冲沉积法生长VO2薄膜相变特性研究

摘要

众所周知，金属钒与氧能形成多种氧化物(三氧化二钒(V2O3)，二氧化钒(VO2)和五氧化二钒(V2O5)等），在这些氧化物中钒可以以不同价态存在。一些钒氧化物在临界温度(T。)会表现出独特的半导体—金属相变特性，并伴随着电阻率和红外波段透过率的突变。其中VO2典型的相变临界温度为68℃（最接近室温），在该临界温度以下，VO2表现为大电阻率的的绝缘体或者半导体，而在临界温度之上其电阻率急剧下降，显示出金属的导电特征。该可逆相变过程伴随着晶体结构的显著变化，即从低温绝缘体单斜晶相(M，Monoclinic—P21/c)变化到高温金属四方相(R，Rutile—P42/mnm)。VO2薄膜的奇特相变性能使其在电子开关、热传感器、光学数据存储磁盘和热智能窗上具有极大的应用前景，然而由于钒氧体系的复杂性和纯VO2薄膜相对过高的相变温度大大的限制了VO2作为新材料的应用。人们通常降低VO2薄膜的相变温度是通过高价离子掺杂的方式来实现的，但相变温度降低的同时也使相变的幅度显著减弱相变回线展宽。因此将VO2相变临界温度调控到室温附近并维持其突变的光电功能特性显得尤为重要。本论文旨在采用脉冲激光沉积(PLD)方法生长高质量的纯相VO2薄膜，并创新性提出通过晶体生长过程中引入AlN应力层来控制VO2薄膜的相变温度。主要研究内容如下:　　(1)研究了氧气分压对PLD法生长VO2薄膜结构和性能的影响。由于钒氧体系的复杂性，纯相VO2薄膜的生长对氧气分压十分敏感，我们通过PLD法在0.1、0.5、1.0、1.5、2.0Pa氧分压下生长了五组样品，研究了氧分压对生长VO2薄膜的晶体结构、光学和电学性质的影响规律，在优化氧分压下生长了高质量纯相VO2薄膜。　　(2)研究了在PLD法生长VO2薄膜过程中原位AlN应力层的引入对VO2薄膜结构和性能的影响。通过对比分析原位AlN应力层引入前后样品的晶体结构和相变性能，探索了AlN应力层引入对VO2薄膜相变性能的影响规律和物理机制。为通过引入界面应力的方式调控VO2薄膜相变特性提供了理论和实验依据。　　(3)采用X-射线光电子能谱(XPS)技术分析了不同条件下PLD法生长VOx薄膜的化学组成和钒元素价态，研究了AlN应力层诱导V在氧化钒薄膜中的价态变化。由于钒氧化物中钒可以以不同价态存在，氧化钒的半导体—金属相变特性与钒的价态密切相关。从V的价态变化角度解释了原位AlN应力层的引入对VO2薄膜性能影响的原因。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 VO2薄膜材料的基本性质与相变应用

1．1．1 VO2薄膜材料的基本性质

1．1．2 VO2薄膜材料的应用

1．1．3 VO2薄膜材料的研究进展

1．2 VO2薄膜相变机理

1．2．1 Mott相变机理

1．2．2 Peierls相变机理

1．3 调控VO2薄膜相变的方法

1．3．1 原子掺杂调控VO2薄膜相变

1．3．2 应力引入调控VO2薄膜相变

1．3．3 偏压电场调控VO2薄膜相变

1．4 VO2薄膜的制备方法

1．4．1 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

1．4．2 磁控溅射法

1．4．3 分子束外延法(MBE)

1．4．3 激光脉冲沉积法(PLD)

1．5 本论文的主要研究内容

2 本论文中采用的制备与表征方法

2．1 制备方法

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)

2．2 表征方法

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．4 光致发光测试(PL)

2．2．5 透射测试

2．2．6 自制变温电阻测试平台

2．3 本章小结

3 氧气分压对PLD法生长VO2薄膜结构和性能的影响

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 实验结果和分析

3．4 本章小结

4 原位AlN应力层的引入对VO2薄膜性能的影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果和分析

4．4 本章小结

5 XPS研究AlN应力层诱导V在氧化钒薄膜中的价态变化

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 实验结果和分析

5．4 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