一种实现M相二氧化钒纳米线择优取向排列生长的制备方法

摘要

本发明公开了一种实现M相二氧化钒纳米线择优取向排列生长的制备方法。本发明通过优化脉冲激光沉积技术方法实现了二氧化钒纳米线的择优取向排列生长。通过选择激光器和靶材，选择衬底，溅射通过简单的温度、氧压和沉积时间得到长度不同的VO

说明书

技术领域

本发明涉及M相二氧化钒纳米线阵列的制备技术。

背景技术

在众多金属-绝缘体相变材料中，M相二氧化钒的相变温度最接近室温（～68℃）。并且在相变前后，VO₂(M)的结构由单斜（monoclinic）转变为金红石（rutile），电阻会有3-5个数量级的可逆突变，同时伴随有相变滞后现象。基于这一优异的可逆相变特性，VO₂可以被开发并产生很多非常有前景的应用。因此VO₂(M)也成为近几年研究最热的金属氧化物材料之一。另外，随着纳米技术的发展，研究人员发现由于小尺寸表面效应的影响，纳米材料表现出许多体材料所不具有的特殊的物理、化学和生物特性。其中，一维纳米材料，如纳米线、纳米棒、纳米带等，由于其独特的单一晶体结构，常常表现出非常独特的力学、电学、光学和磁学性质。利用一维纳米材料独有的这些特性，可以设计和制造各种性能优异和功能奇特的新型微电子器件。同时，更重要的是纳米线的研究和应用也非常符合电子器件微型化和智能化的发展趋势。

2005年，Guiton等人用化学气相沉积技术第一次生长出了形貌结构优异的VO₂(M)纳米线。之后，基于Guiton的方法，Cheng等人发现可以在未抛光的无定形的石英表面生长出大量交错排布的纳米线，并且纳米线朝着空间各个方向生长，形成不受基底限制的自由状态（freestanding）。在我们之前的研究中，利用脉冲激光沉积技术（PLD）快速生长出了大量M相二氧化钒纳米线。

以上方法生长的二氧化钒纳米线都是无规则分布在基底上边，很显然这不利于二氧化钒纳米线的大规模集成和应用。如果想要大规模利用纳米线来组装和集成微电子器件，就需要纳米线有规律的排布。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现M相二氧化钒纳米线择优取向排列生长的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种M相二氧化钒纳米线阵列的制备方法，包括如下步骤：

（1）选择激光器和靶材：激光器选用248nm的KrF准分子激光器，靶材选用VO₂(M)靶材；

（2）清洗衬底：衬底选择石英晶体或蓝宝石晶体，先用丙酮超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再用乙醇超声清洗5-10min，最后用去离子水超声清洗5-10min，之后用N₂吹干并置于样品台上；

（3）溅射：溅射时将腔体内的本底真空抽至1.0×10^-4Pa以上，样品台升温至750℃，升温速率20℃/min，然后通过气体流量计控制送入腔体内O₂的含量，使腔体内的氧压控制在8Pa，衬底与靶材的间距控制在5cm；调节激光能量为300mj，激光频率1Hz，沉积50min；溅射过程中靶材匀速转动，样品台保持不动；溅射完毕后保温退火30min，最后自然降至室温。

作为优选，在上述制备方法，所述靶材为纯度99.9%的VO₂(M)靶材。

作为优选，在上述制备方法，所述石英晶体或蓝宝石晶体的取向为<11-20>。本发明采用取向<11-20>的石英和蓝宝石晶体作为生长衬底，其晶格常数与M相二氧化钒的匹配度比较高。

作为优选，在上述制备方法，步骤（2）所述衬底需距离羽辉中心3cm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过优化脉冲激光沉积技术方法实现了二氧化钒纳米线的择优取向排列生长。通过选择激光器和靶材，选择衬底，溅射通过简单的温度、氧压和沉积时间得到长度不同的VO₂(M)纳米线阵列。该方法工艺十分简单，对设备要求低，重现性好，可控程度高，无毒害，符合环境要求。本发明采用脉冲激光沉积技术，操作简单，不会产生有毒气氛，也不会对实验人员造成伤害。本发明可以得到择优取向排列的VO₂(M)纳米线，为VO₂(M)纳米线组装和集成奠定了基础。一维纳米线择优取向阵列是实现纳米线器件组装、集成和应用的基础，M相的二氧化钒纳米线在68℃附近有一个非常明显的结构相变，伴随着相变，其电阻率在相变前后有3-5个数量级的突变。利用这个性质，可以制作基于M相二氧化钒纳米线的传感器、存储器、光电开关和红外辐射探测器等。

附图说明

图1为不同衬底条件下VO₂(M)纳米线的XRD测试结果图；

图2为生长在石英衬底上边择优取向排列的VO₂(M)纳米线图；

图3为生长在蓝宝石衬底上边择优取向排列的VO₂(M)纳米线图；

图4为低温低压下生长在（a）石英晶体和（b）蓝宝石晶体衬底的SEM形貌图。

具体实施方式

实施例1

脉冲激光沉积方法生长择优取向排列的M相二氧化钒纳米线时要选择合适的激光器和靶材，激光器选用248nm的KrF准分子激光器，靶材选用纯度为99.9%的VO₂(M)靶材。纳米线生长之前首先对衬底进行清洗，衬底选择取向为<11-20>的石英晶体，清洗过程如下：先用丙酮超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再用乙醇超声清洗5-10min，最后用去离子水超声清洗5-10min，之后用N₂吹干并置于样品台上，需要注意的是衬底需距离羽辉中心3cm。溅射时将腔体内的本底真空抽至1.0×10^-4Pa以上，样品台升温至750℃，升温速率20℃/min，然后通过气体流量计控制送入腔体内O₂的含量，使腔体内的氧压控制在8Pa，衬底与靶材的间距控制在5cm。调节激光部分的参数，激光能量为300mj，激光频率1Hz，沉积50min。溅射过程中靶材匀速转动，样品台保持不动。溅射完毕后保温退火30min，最后自然降至室温。图2是生长在石英衬底上边择优取向排列的VO₂(M)纳米线的扫描电镜图片，可以看出纳米线呈现良好的取向并工整排列。

实施例2

脉冲激光沉积方法生长择优取向排列的M相二氧化钒纳米线时要选择合适的激光器和靶材，激光器选用248nm的KrF准分子激光器，靶材选用纯度为99.9%的VO₂(M)靶材。纳米线生长之前首先对衬底进行清洗，衬底选择取向为<11-20>的蓝宝石晶体，清洗过程如下：先用丙酮超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再用乙醇超声清洗5-10min，最后用去离子水超声清洗5-10min，之后用N₂吹干并置于样品台上，需要注意的是衬底需距离羽辉中心3cm。溅射时将腔体内的本底真空抽至1.0×10^-4Pa以上，样品台升温至750℃，升温速率20℃/min，然后通过气体流量计控制送入腔体内O₂的含量，使腔体内的氧压控制在6Pa，衬底与靶材的间距控制在5cm。调节激光部分的参数，激光能量为300mj，激光频率1Hz，沉积50min。溅射过程中靶材匀速转动，样品台保持不动。溅射完毕后保温退火30min，最后自然降至室温。图3是生长在蓝宝石衬底上边择优取向排列的VO₂(M)纳米线，可以看出纳米线呈现良好的排布阵列。

实施例3

脉冲激光沉积方法生长择优取向排列的M相二氧化钒纳米线时要选择合适的激光器和靶材，激光器选用248nm的KrF准分子激光器，靶材选用纯度为99.9%的VO₂(M)靶材。纳米线生长之前首先对衬底进行清洗，衬底选择取向为<11-20>的石英晶体，清洗过程如下：先用丙酮超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再用乙醇超声清洗5-10min，最后用去离子水超声清洗5-10min，之后用N₂吹干并置于样品台上，需要注意的是衬底需距离羽辉中心3cm。溅射时将腔体内的本底真空抽至1.0×10^-4Pa以上，样品台升温至650℃，升温速率20℃/min，然后通过气体流量计控制送入腔体内O₂的含量，使腔体内的氧压控制在5Pa，衬底与靶材的间距控制在5cm。调节激光部分的参数，激光能量为300mj，激光频率1Hz，沉积50min。溅射过程中靶材匀速转动，样品台保持不动。溅射完毕后保温退火30min，最后自然降至室温。图4（a）是低温低压下生长在石英晶体衬底的SEM形貌图片，在低温低压下纳米线很难生长出具有规则排列的阵列。

实施例4

脉冲激光沉积方法生长择优取向排列的M相二氧化钒纳米线时要选择合适的激光器和靶材，激光器选用248nm的KrF准分子激光器，靶材选用纯度为99.9%的VO₂(M)靶材。纳米线生长之前首先对衬底进行清洗，衬底选择取向为<11-20>的蓝宝石晶体，清洗过程如下：先用丙酮超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再用乙醇超声清洗5-10min，最后用去离子水超声清洗5-10min，之后用N₂吹干并置于样品台上，需要注意的是衬底需距离羽辉中心3cm。溅射时将腔体内的本底真空抽至1.0×10^-4Pa以上，样品台升温至650℃，升温速率20℃/min，然后通过气体流量计控制送入腔体内O₂的含量，使腔体内的氧压控制在5Pa，衬底与靶材的间距控制在5cm。调节激光部分的参数，激光能量为300mj，激光频率1Hz，沉积50min。溅射过程中靶材匀速转动，样品台保持不动。溅射完毕后保温退火30min，最后自然降至室温。图4（b）是低温低压下生长在蓝宝石晶体衬底的SEM形貌图片，在低温低压下纳米线很难生长出具有规则排列的阵列。