磁控濺射制備納米二氧化釩半導體薄膜及表征
本文采用射頻磁控濺射法，結合氬氣氣氛退火工藝制備了VO2薄膜。通過(guò)優(yōu)化磁控濺射和熱退火工藝，結合激光拉曼光譜儀（Raman）、X 射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、電鏡掃描（SEM）對薄膜的相結構、組分和表面形貌進(jìn)行分析。結果表明：濺射襯底溫度為150℃，在450℃氬氣氣氛退火2.5 h 能制備出高質(zhì)量的VO2薄膜，表面呈米粒狀，有一定的取向性。
二氧化釩（VO2）是一種具有熱致相變特性的金屬氧化物。伴隨溫度的變化，VO2 會(huì )發(fā)生從半導體態(tài)到金屬態(tài)的可逆相變。其相變溫度接近室溫，相變時(shí)間為納秒級，相變前后有較大幅度光、電性能變化。由于其薄膜比表面積大、重量輕、工藝兼容便于集成、可經(jīng)受反復相變，并廣泛應用于光存儲、光電轉換、激光防護和智能窗等領(lǐng)域。國內二氧化釩薄膜的研究應用還處于較低的水平，關(guān)鍵是二氧化釩薄膜的制備難，測試復雜。在過(guò)去的二氧化釩薄膜制備中，蒸發(fā)法制得的VO2 薄膜機械強度低、附著(zhù)力小、不易電集成；Sol - Gel 法制備的薄膜致密度差,厚度不易控制,且容易存在氣泡或開(kāi)裂等缺陷；脈沖激光沉積難以得到大面積的多晶薄膜；MOCVD 制得的薄膜會(huì )存在碳污染、純度較差、工藝監控不精確等缺點(diǎn)。本文采用射頻磁控濺射法制備了V2O5 薄膜，然后再退火熱還原制備VO2 薄膜，此方法簡(jiǎn)單、成本低、易推廣，便于制備大面積、均勻、理想配比的薄膜。
1、薄膜的制備
用JED- 400 磁控濺射V2O5 陶瓷靶，本底真空3.0×10- 3 Pa，180 W濺射3 h，襯底溫度150℃，靶間距10 cm,在450℃氬氣氣氛退火2.5 h。用XRDD8 Advance，RM2000，ESCALAB 250 Scanning XPS，SEM（XL- 30FEG）進(jìn)行分析表征。臺階儀(Ambios USA) 測得的厚度為200 nm�；怯镁凭捅磸统暻逑催^(guò)的醫用玻璃載玻片。
2、結果與討論
2.1、靶材的分析
濺射所用的靶材燒結過(guò)程為：大氣氣氛中以每分鐘2℃的速率上升到500℃，然后保溫5 h，再以每分鐘2℃的速率降低到室溫。燒結溫度不能過(guò)高，燒結時(shí)間也不能過(guò)長(cháng)，因為V2O5 的熔點(diǎn)為690℃，溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(cháng)，V2O5 靶材會(huì )熔融掉。燒結前后比較發(fā)現，燒結后成為陶瓷，顏色由燒結前的淺黃色變?yōu)榇u紅色。燒結后的靶材的拉曼譜（圖1），沒(méi)有發(fā)生相變仍為V2O5 結構。
圖1 靶材的Ranman 譜
3、結論
以磁控濺射氣氛退火的方法制備了VO2 薄膜。利用Raman、XPS、SEM 對薄膜組分、晶相、表面形貌進(jìn)行表征。實(shí)驗表明磁控濺射氣氛退火處理是一種可行的制備VO2 薄膜的方法。在VO2 薄膜的制備過(guò)程中，襯底溫度和氣氛退火溫度、退火時(shí)間是最重要的工藝參數，對它們的合理選擇和嚴格控制是能否制備出VO2 含量較高的薄膜的關(guān)鍵。加溫速率不能過(guò)快，否則薄膜表面容易龜裂。當在450℃退火超過(guò)8 h 后，樣品表面薄膜基本上被蒸發(fā)掉，時(shí)間控制在1~6 h之間能夠制備出含有VO2 成分的薄膜。濺射襯底溫度150℃，然后450℃氬氣氣氛退火2.5 h，能制備出高質(zhì)量的VO2 薄膜。
