电荷掺杂调控VO2薄膜金属-绝缘体转变的同步辐射研究

摘要

VO2具有接近室温的金属-绝缘体相变(MIT)温度(68℃)，相变过程伴随着电学、光学、磁学性质的突变，其中蕴含丰富的物理内涵，对该相变行为的调控和机理的研究是当前的热门领域，其中对Peierls结构相变和Mott电子相变这两种机理的争论尤为突出。研究表明两种相变机理相辅相成，但哪一种机理处于主导地位仍不清楚。本文的研究目的是选用N离子注入和表面电荷掺杂这两种实验方法，考察Mott电子相变机制在VO2相变过程中的作用。利用同步辐射光电子能谱(SRPES)，近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)谱和变温拉曼光谱等技术研究了N离子注入和分子(MoO3，F4TCNQ)吸附的表面电荷掺杂方法对VO2/Al2O3薄膜的MIT行为、界面间的电子输运的影响以及在此基础上对VO2的相变机理进行了讨论。论文的主要内容及相关结果如下:
　　(1)利用离子注入的方法研究了不同的N离子掺杂浓度对VO2薄膜结构和相变的影响，通过实验得到VO1.9N0.1和VO1.87N0.13两个掺N样品，与原始无掺杂的VO2样品比较，其相变温度降低约18℃。对不同掺入浓度的样品进行XPS和UPS的测量以及V-L，O-K，N-K边的吸收谱测量，得到掺杂的N替代了O的位置与V成键，并且N的掺杂为典型的p型掺杂，随着样品的空穴浓度增加，VO2晶格V-V键强度减弱，产生相变需要的能隙降低，从而导致相变温度降低。
　　(2)利用在VO2表面原位生长MoO3的方式研究了表面电荷掺杂方法对VO2相变温度的调控作用，结果发现在MoO3和VO2界面处电子由VO2向MoO3转移，对VO2形成了空穴掺杂。对样品电性能、结构、相变温度等进行测试发现，VO2相变温度有效降低约7℃，但结构没有明显改变。对比不同厚度的VO2薄膜样品的相变温度发现，薄膜越薄，相变温度降低越明显。结果表明MoO3的吸附对VO2薄膜来说是一种有效的空穴掺杂方法，能够很好地排除结构效应而独立研究电荷效应在VO2相变过程中的影响。
　　(3)通过四氟四氰基对苯二醌二甲烷(F4TCNQ)分子吸附引起的表面电荷转移研究了VO2薄膜的MIT行为中的空穴掺杂效应。结果表明，与原始VO2薄膜相比，F4TCNQ覆盖的VO2样品的临界温度降低约4℃。表征结果显示，由于有效的空穴掺杂，F4TCNQ覆盖的VO2样品的电子结构发生了明显变化，掺杂空穴改变了V3d轨道占有率，并削弱了电子-电子相关性，降低了结晶稳定能，因此有利于触发MIT在更低的临界温度发生。
　　(4)利用SRPES和NEXAFS原位研究了氧气氛退火和F4TCNQ分子表面吸附反应对VO2表面氧缺陷的修复机制，结果表明通过两种方式均能够使得VO2薄膜样品氩刻后产生的V3+失去电子而被氧化成V4+，因而可以有效消除表面氧缺陷及其电子掺杂效应。同时F4TCNQ分子吸附引起电子由衬底向分子层转移，界面形成带负电荷的分子离子物种。尽管F4TCNQ分子吸附的表面修复效果与氧气氛修复效果一样，但受电化学性质的制约，分子吸附修复氧缺陷较氧气氛退火更安全，不会引起表面过度氧化形成V2O5。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2．1 VO2简介

1．2．2 VO2的相变特点

1．2．3 VO2的应用

1．3 VO2的相变机制

1．3．1 Peierls相变

1．3．2 Mott相变

1．3．3 Peierls与Mott相变的耦合

1．4 调控VO2相变的因素

1．5 掺杂VO2薄膜研究进展

1．6 本论文选题背景和研究的内容

参考文献

第二章 样品制备方法与实验方法

2．1．1 VO2薄膜制备方法综述

2．1．2 分子束外延生长方法(MBE)

2．1．3 离子注入简介

2．2 同步辐射

2．2．1 同步辐射简介

2．2．2 同步辐射应用

2．2．3 同步辐射技术的发展趋势

2．3 光电子能谱的基本原理与方法

2．4 NEXAFS基本原理及其实验方法

2．5 薄膜厚度的测量

2．6 四探针法

2．7 拉曼光谱

2．8 X射线衍射

2．9 本章小结

参考文献

第三章 VO2薄膜的N掺杂研究

3．1 实验

3．2 结果与讨论

3．2．1 变温电阻实验

3．2．2 XRD与Raman测量

3．2．3 NEXAFS测量

3．2．4 SRPES谱图测量

3．3 本章小结

参考文献

第四章 MoO3对VO2相变调控的研究

4．1 实验

4．2 实验数据分析

4．2．1 光电子能谱测量(SRPES)

4．2．2 结构性能测试(XRD，R-T，Raman)

4．3 总结

参考文献

第五章 有机分子吸附对VO2的相变调控研究

5．1 实验

5．2 结果和讨论

5．2．1 温度电阻测试

5．2．2 同步辐射表征(SRPES，NEXAFS)

5．2．3 Raman光谱表征

5．3 总结

参考文献

第六章 VO2表面O空位修复研究

6．1 实验

6．2 结果和讨论

6．2．1 氧气氛退火

6．2．2 F4TCNQ分子吸附氩刻VO2表面

6．3 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果