电场触发VO2薄膜相变机理研究

摘要

二氧化钒(VO2)作为电子强关联体系的典型代表，在温度为340K时，会发生金属绝缘体相变(MIT)，同时晶格结构也会发生转变。在相变前后，其电阻率会发生3～5个量级的突变，同时由反铁磁特性转变为顺磁，而且红外波段的透过率也发生巨大的变化。基于以上独特的相变特征，VO2材料引起了人们极大的兴趣，显示出广阔的应用前景，比如在红外激光防护、非制冷红外探测、智能窗、记忆存储以及超级电容等方面。
　　但是限制VO2应用的一个瓶颈问题就是其高于室温的相变温度(Tc)，因此降低二氧化钒的相变温度对推动其实际应用具有重要的意义。目前降低二氧化钒相变温度的方法主要有以下几种:掺杂高价金属元素、氢化、电场诱导氧空位、界面应力、离子注入以及电压调控等。其中高价掺杂和界面应力虽然可以有效降低VO2的相变温度，但是很难实现连续调控而且调控过程不可逆;VO2的氢化处理是一个可逆过程，但是氢化VO2在空气中不够稳定;通过离子液体来施加电场诱导氧空位的产生很容易对晶态薄膜的质量产生损伤;通过电压来调控VO2的相变温度不仅可以连续可调，而且过程可逆，因而受到了人们广泛的关注。
　　虽然最近几年关于电压调控二氧化钒相变越来越成为研究热点，但是其相变调控机理一直没有定论，电场效应和焦耳热效应这两种机理解释一直存在极大争议。因此在本论文中我们拟从一个全新的角度来解释这个相变调控机理。另外，我们还研究了二氧化钒复合材料体系，拓展了其应用范围。本论文主要研究内容包括:
　　(1)利用分子束外延(OMBE)方法在蓝宝石衬底上生长出高质量的二氧化钒单晶薄膜，并研究了电压调控二氧化钒相变过程的时间特性，从热力学平衡的角度出发，研究了电压，局域温度和时间这三者之间的关系，给出了焦耳热相变机理的直接证据。
　　(2)利用OMBE方法在蓝宝石衬底上制备了二氧化钒薄膜和铁磁性材料Ni以及反铁磁材料NiO的多层膜结构，发现了二氧化钒的相变行为会对铁磁材料的矫顽力产生影响，拓展了二氧化钒相变在电磁材料中的应用;
　　(3)用OMBE方法在p-GaN衬底上生长二氧化钒薄膜，在导电良好的GaN上施加外电压/电流来连续调控二氧化钒的相变过程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 二氧化钒简介

1．2 VO2的相变特点介绍

1．2．1 电学性质的突变

1．2．2 光学性质的突变

1．2．3 磁性方面的突变

1．2．4 晶格结构的变化

1．3 VO2薄膜材料的应用前景

1．3．1 智能窗

1．3．2 THz线性偏振片

1．3．3 超级电容器

1．3．4 电子自旋器件

1．4 VO2薄膜的制备方法

1．4．1 激光脉冲沉积(PLD)

1．4．2 磁控溅射法

1．4．3 化学气相沉积法(CVD)

1．4．4 溶胶凝胶法(sol-gel)

1．4．5 水热法(hydrothermal method)

1．5 VO2的相变机理解释

1．5．1 VO2的能带结构

1．5．2 Mott相变机理

1．5．3 Peierls相变机理解释

1．5．4 Mott相变和Peierls相变的协同作用机理

1．6 VO2相变温度的调控方法

1．6．1 电场调控VO2相变温度

1．6．2 应力调控VO2相变温度

1．6．3 异质p-n节调控VO2的相变温度

1．6．4 金属掺杂调控VO2相变温度

1．7 本章小结

参考文献

第二章 分子束外延(MBE)技术及表征

2．1 分子束外延技术

2．1．1 MBE设备简介

2．1．2 MBE技术简介

2．2 VO2薄膜的常用表征方法

2．2．1 拉曼(Raman)表征技术

2．2．2 X射线衍射(XRD)表征技术

2．2．3 原子力显微镜(AFM)表征技术

2．2．4 扫描电子显微镜(SEM)技术

2．2．5 透射电子显微(TEM)技术

2．3 本章小结

第三章 电压对VO2薄膜金属-绝缘相变行为调控的研究

3．1 研究背景

3．2 实验方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 样品表征

3．3．2 伏安曲线

3．3．3 动力学过程研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 VO2材料在其它领域的初步研究

4．1 VO2与磁性材料复合的初步研究

4．2 VO2与GaN材料的复合

4．2．1 样品的制备与表征

4．2．2 结果与讨论

4．3 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

硕士期间所发表的论文