氧化钒薄膜的电阻特性研究.doc

氧化钒薄膜的电阻特性研究
学****二氧化钒(VO2)薄膜晶体结构及相转变等相关知识;
掌握利用恒流源测量薄膜电阻的方法,计算不同温度范围内的电阻变化率;
利用作图法处理数据,作出升温曲线和降温曲线并归纳总结热滞现象。
实验仪器
真空腔(四探针调节架、载物台、加热棒及热偶),电学组合箱(2个XMT612智能温控仪、1个恒流源、1个数字电压表)。
实验原理
二氧化钒(VO2)薄膜是一种具有热滞相变特性的材料,随着温度的升高,在68°C附近会发生单斜结构和金红石结构的晶型转变,与此同时由半导体转变为金属态,此转变在纳秒级时间范围内发生,随之伴随着电阻率、磁化率、光的透过率和反射率的可逆突变。这些卓越的特性有着诱人的发展前景,可以用来制作光电开关材料、热敏电阻材料、光电信息存储器、激光致盲武器防护装置、节能涂层、偏光镜以及可变反射镜等器件等。
一、二氧化钒(VO2)薄膜的晶体结构
-1单斜晶结构VO2(M)
-2金红石结构VO2(R)
二氧化钒型态结构是以钒原子为基本结构的体心四方晶格,氧原子在其八面体的位置,有四种不同形态的结构:(1)金红石结构VO2(R);(2)轻微扭曲金红石结构的单斜晶VO2(M);(3)非常接近V6O13结构的单斜晶结构VO2(B);(4)四方晶结构VO2(A)。二氧化钒在68℃时发生相变,在68℃以下时VO2(M)存在,反之,在68℃以上时则为金红石结构VO2(R),VO2(R)和VO2(M)型态的相转变是可逆的。同时VO2(B)→VO2(R)也可以发生相转化,VO2的另一个金属相VO2(A)是其相转变过程的中间相。VO2(B)型是一种亚稳态氧化物,经过对VO2(B)型薄膜进行退火处理,能够使其转变成VO2(R)型的稳定结构,但是VO2(A)和VO2(B)型态的相转变是不可逆的。
对VO2而言,最稳定的结构是VO2(R),其稳定的范围是68℃到1540℃之间。-1所示,高温形态的四方金红石结构具有高对称性,V4+离子占据中心位置,而 O2-则包围 V4+离子组成一个八面体,此八面体的四重轴是沿着(110)或(011)排列。CR轴的钒原子组成等距(d v-v= nm)的长链,为八面体的共用边。VO2(R)的晶格参数为aR=bR=,cR=, =90°,Z=2。
在68℃以下,单斜晶VO2(M)形成。沿着c轴方向的两个四价钒使晶格扭曲,进而导致对称性降低。在室温下VO2(M)相的晶格参数为aM=,bM=,cM=, =°,Z=4。由上述数据可观察到VO2(M)的晶格参数与VO2(R)的晶格参数息息相关:aM=2cR,bM =aR ,cM = bR - cR ,VO2(M)结构也是八面体。-2。
二、二氧化钒(VO2)薄膜的相转变温度
在常温下二氧化钒薄膜处于半导体态,其电阻随温度升高而减小;当温度继续升高,薄膜电阻突然下降,随后薄膜电阻随温度升高而增大(-3)。从图中还可观察到温度上升时和温度下降时的电阻-温度特性曲线并不完全重合,把这种具有类似铁磁材料迟滞特征的现象,称为热滞回线,即温度的变化落后于电阻的变化。图2是VO2单晶典型的电阻-温度曲线。半导体态电阻偏离线性的电阻Rs