VO2/AZO复合薄膜的制备及其光电特性研究
2017-08-02 22:31:13   来源：微迷   评论：0   点击：

二氧化钒（VO2）是一种具有热致相变特性的功能材料，单晶在68℃时发生从单斜结构半导体相向四方结构金属相的可逆转变，转变所需的时间仅为皮秒量级，相变前后薄膜红外波段光透过率、反射率发生突变，可见光区域的透过率则几乎没有变化。这种热致相变特性使VO2薄膜在光存储器、光调制器、光开关、激光防护和智能窗等领域有广泛的应用前景。

纯净VO2薄膜的相变温度是68℃且热滞回线较宽难以满足实际应用的要求。目前主要有两种手段改善VO2薄膜的相变特性。一种手段就是掺入杂质离子，研究表明W6+，Mo6+，Nb5＋等半径较大的阳离子可以使VO2的费米能级上移，能带变窄，一定程度上能够降低其相变温度，其中钨掺杂的效果最明显。但掺杂会导致VO2在半导体相时形成区域性能级，该能级上的电子容易吸收不同波段光子的能量，跃迁至导带而成为离域电子，最终使薄膜的光透过率下降，同时也影响薄膜的光电开关特性。

另一种手段就是通过多层结构薄膜的设计与制备来改善VO2薄膜的相变特性。在VO2薄膜表面沉积ZrO2、Si3N4、TiO2得到的ZrO2/VO2、Si3N4/VO2、TiO2/VO2复合薄膜具有减反功能，可以提高薄膜的可见光透过率，但是近红外波段的相变特性改善有限，并且需要额外的薄膜电极才能更方便地应用于光电子器件。目前有研究在Ga掺杂的ZnO基底上制备出了VO2薄膜，电阻率热滞回线收窄至2.3℃，但相变温度高达60℃，并且相变前后电阻率变化幅度才2个数量级。

另有研究制备出了VO2/ITO复合薄膜，但受限于ITO的透过率，只在1000～1700nm范围内有一定的调控能力。还有通过磁控溅射技术和热氧化退火工艺在FTO上制备出了W掺杂的VO2薄膜，虽然相变温度降至35℃，热滞回线收窄至4℃，但由于FTO的透过率在波长大于1500nm时急剧下降，复合薄膜透过率受此限制，在红外波段最大透过率才达到42%，其红外调控能力有限。

相比ITO，FTO等透明导电薄膜，AZO薄膜制备工艺简单，容易形成结构单一的晶体，稳定性好，元素资源丰富，在可见光和近红外范围内透过率高、电阻率低。若在玻璃和VO2之间引入AZO导电缓冲层，一方面有助于VO2薄膜的取向生长和结晶质量的提高，另一方面通过复合膜层的设计可以有效调节薄膜的光学、电学参数，从而改善薄膜的热致光电特性，更好地将VO2热致相变的特性应用于各类光电子器件。

上海理工大学的袁文瑞等研究人员，选择AZO导电玻璃作为基底，室温下用直流磁控溅射的方法在其表面沉积纯金属钒膜，然后在空气中进行热氧化退火，制备了VO2/AZO复合薄膜，探索了不同退火条件下薄膜的结晶质量，测试分析了该复合薄膜的结构、组分、相变特性及光电特性。

AFM图谱：（a）AZO薄膜；（b）VO2/AZO复合薄膜；（c）VO2薄膜

本研究选择AZO导电玻璃作为基底，室温下采用直流磁控溅射的方法在其表面沉积金属钒膜，再在410℃的空气气氛中热氧化退火3h，成功制备了择优取向的VO2/AZO复合薄膜。

为了更好地表征薄膜内各元素的价态，采用北京埃德万斯离子束研究所股份有限公司生产的LKJ-1D-150型离子束刻蚀机对复合薄膜逐层刻蚀，刻蚀腔内本底真空为5 x 10-4Pa，用纯度为99.999%的氩气作为工作气体，刻蚀过程中气压稳定在1.9 x 10^(-2)Pa，束流密度为一0.01mA/cm^2，离子能量为315eV。

北京埃德万斯生产的LKJ-1D-150型离子束刻蚀机，是埃德万斯自主研发的Advanced LKJ系列离子束刻蚀系统，为通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。

VO2薄膜和VO2/AZO复合薄膜的1500nm处透过率温度曲线

本研究成果与用相同工艺和条件在普通玻璃基底上制备的VO2薄膜相比，VO2/AZO复合薄膜晶体生长更具取向性，表面晶粒尺寸增大，粗糙度下降，相变温度降低至43℃，热滞困线宽度收窄至6℃，相变前后可见光透过率均在50%以上，1500nm处红外透过率差值为34%，电阻率变化达3个数量级。在VO2薄膜与玻璃基底之间引入AZO缓忡层，从根本上改善了VO2薄膜的晶体结构，使得复合薄膜表面晶体取向性更明显，晶粒尺寸增大，表面粗糙度减小。这种复合薄膜结构明显改善了VO2薄膜热致变色性能，增强了VO2/AZO复合薄膜的红外光开关调控能力，而且工艺筒单、成本低，易于大面积成膜，对新型智能窗、光电开关、光调制器等光电薄膜器件的设计开发和应用具有重要借鉴意义。

本研究获得了国家高技术研究发展计划（863计划）项目（批准号：2006AA03Z348）、教育部科学技术研究重点项目（批准号：207033）等项目资金支持，研究成果发表于《物理学报》。