掺杂氧化钒薄膜的相结构与光电性能研究.pdf

Classified Index: : for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON DOPEDVANADIUM OXIDEFILMS PHASE STRUCTUREAND OPTOELECTRONIC PROPERTIESCandidate:Wang Yinling Supervisor:Prof. Zhao LianchengProf. Chen XuekangAcademic Degree Applied for:Doctor of EngineeringSpeciality:Information FunctionalMaterials and DevicesAffiliation:School of MaterialsScience and EngineeringDate of Defence:July, 2012Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology摘要--I摘要氧化钒在室温左右随着温度的变化电阻值反应敏感,能够获得比较大的电阻温度系数值(TCR),其室温电阻值大约在几千到几十万欧姆之间,并且,能够良好的匹配Si读出电路,因此,氧化钒可以满足微测辐射热计用敏感材料的要求。但是,氧化钒含有高达十几种结晶相,各种结晶相的电阻值和电阻温度系数区别较大,并且,制备工艺和后处理工艺对氧化钒薄膜的结构、光电性能的影响较大。本论文是以在微测辐射热计中起关键作用的氧化钒红外敏感材料为重点,通过研究VOx/p-Si以及掺杂Al(或Mo)的VOx/p-Si的制备、物相结构及其光电性能,以建立工艺条件与薄膜质量之间的联系,为氧化钒薄膜在微测辐射热计中的应用建立实验和理论基础。为了获得具有较大的电阻温度系数值的氧化钒薄膜,采用248nm波长的KrF准分子激光激发单质V靶与氧气反应的脉冲激光沉积技术制备了高质量的取向生长的VOx/p-Si薄膜;随着氧气压力的提高,脉冲激光沉积(PLD)氧化钒薄膜的物相结构发生以下的变化,非晶态()→VO2()→VO2+ V3O7()→VO2+ V3O7+V6O13(3Pa)→VO2+ V3O7+V6O13+V2O5(10Pa);根据气体分子运动论模型,当靶材-衬底距离为8cm时,,当靶材-,;PLD沉积的VO2/p-Si薄膜均表现出较大的TCR值,可以满足微测辐射热计用材料TCR值大于2%的要求。综合看来,衬底温度800℃、氧气压力10Pa和靶衬距离4cm生长的VO2/p-Si薄膜室温电阻约10KΩ,热滞效应最小,TCR值最大(%),性能最优。为了降低VOx/p-Si薄膜的电阻值,利用193 nm波长的ArF准分子激光激发复合靶材—V2O5靶,采用PLD结合真空退火的方法制备了V2O3/p-Si薄膜。利用非偶合STD扫描模式分析得知,对于衬底温度770℃并真空退火的薄膜,V2O3(202)晶面择优平行于薄膜表面,而V2O3(104)晶面、V2O3(006)晶面、V2O3(116)晶面、VO2(110)晶面和VO2(220)晶面则择优倾斜于薄膜表面,整个薄膜纵向深度均有V2O3相存在,表层只存在V2O3相,而VO2层则是介于衬底和表层之间;PLD沉积中,衬底温度影响薄膜的结晶,而真空退火温度,则影响薄膜的取向;PLD沉积的V2O3/p-Si薄膜在电阻温度特性测试中表现出典型的V2O3相的一级和二级相变。室温生长,770℃真空退火的V2O3为了研究掺杂对相变温度的影响,采用193nm波长的ArF准分子激光,利/p-Si薄膜的室温电阻约3KΩ,TCR值最大(%),性能最优。哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-用单质Al(或Mo)靶与V2O5靶双靶交替沉积的PLD方法制备了掺Mo(Al)的V2O3/p-Si薄膜;Al原子的掺杂可以保持VOx晶体的结构,而Mo原子的掺杂却改变了主体材料的结构;在11at.%的Al原子掺杂时,Al全部以替代原子的形式掺杂进入VOx晶体的,nAl:nV=11: 100;在55at.%的Al原子掺杂时,约11at.%的Al原子是以替代原子的形式掺杂进入VOx晶体中;而约44at.%的Al原子进入VOx的晶格间隙,nAl:nAl2O3:nV=11:44:100;在3at.%的Mo原子掺杂时,实际只有1at.%的Mo原子进入到VOx的晶格间隙实现掺杂,其余2at.%Mo原子是以MoO3形式与V2O5共混,nMo:nMoO3:nV=1:2:100。55at.