基于石墨烯的二氧化钒材料的可控生长和性能研究

作     者：徐纹纹 

作者单位：淮北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘忠良

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：二氧化钒薄膜 可逆相变 水氧化法 分子束外延技术 石墨烯 

摘      要：相变材料在光电开关、智能玻璃、相变储存和忆阻器等方面有着广泛的应用前景。二氧化钒作为一种典型的相变材料,因其在68℃附近表现出绝缘-金属相变而受到人们的广泛关注。这种独特的热致相变过程往往伴随着电学、光学、磁性等宏观物性的巨大突变,因而能够实现各类功能化器件的应用。二氧化钒薄膜的相变行为和其晶体质量密切相关,因而在薄膜制备过程中对生长衬底的选择非常重要,利用具有良好晶格匹配和光电特性的衬底有助于制备出高质量的二氧化钒薄膜,从而提升其相变器件性能。石墨烯在光学和电学上具有优异的性能,将其与二氧化钒结合后,在光电相变器件及透明导电薄膜等方面具有较高的应用前景。基于石墨烯基底制备的二氧化钒薄膜能有效发挥石墨烯的层状结构优势和较强的支撑作用,在制备出具有化学计量比的高质量二氧化钒薄膜后能够很容易实现薄膜的自支撑剥离和转移,从而进一步拓宽了其器件应用范围。常见的二氧化钒薄膜制备方法包括脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射等物理沉积技术,但这些方法往往参数控制过程复杂且所用设备昂贵,限制了其实际应用。通过金属钒膜在氧气氛中直接热氧化是较为简单易行的方法,但该方法由于临界生长窗口的存在,薄膜对气体压力、退火参数和时间等因素较为敏感,对于多价态的钒原子容易形成过氧化。区别于通常的热氧化,利用高温水蒸气作为温和氧化剂的湿法氧化技术是一种较为温和的氧化方法,氩气压和温度的范围可有效的控制,并可有效避免薄膜的过氧化。此外,利用该方法很容易实现大面积二氧化钒薄膜的制备,从而满足其实际应用需求。基于如上所述研究现状,本论文利用水氧化法,通过制备参数优化,在基于石墨烯衬底表面制备高质量二氧化钒薄膜,主要研究内容如下:(一)VO/Graphene/SiC的制备及性能研究1.使用分子束外延技术(MBE)通过辅助金属原子在6H-SiC(0001)衬底表面退火制备高质量石墨烯。在6H-SiC衬底上通过控制不同沉积时间(5 mins、10 mins、20 mins、30 mins、40 mins)预沉积不同量的铜原子,然后进行退火处理。测试结果表明,预沉积Cu原子对石墨烯的质量的提升起到促进作用。在预沉积Cu原子时间为10 mins条件下制备的石墨烯质量较高。高质量石墨烯的制备为后续生长性能优异的二氧化钒薄膜奠定了基础。2.在Graphene/6H-SiC的表面通过磁控溅射技术沉积合适厚度的钒金属膜,然后采用水氧化装置通过调控氩气流速等实验参数制备高质量的二氧化钒薄膜。通过场发射扫描电子显微技术(FESEM)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱(XPS)等对VO/Graphene/6H-SiC薄膜的表面形貌、晶体结构等进行表征测试。系统研究了V/Graphene/6H-SiC薄膜的氩气流速和石墨烯的退火时间对二氧化钒薄膜质量的影响结果。结果表明,Ar载气流速为0.6 L/min和退火时间60 mins是制备VO/Graphene/6H-SiC薄膜优化制备参数。优化的实验条件有利于高质量薄膜的制备和薄膜相变性能的提高。相比于在6H-SiC(0001)衬底直接生长的二氧化钒薄膜,石墨烯的存在改善了二氧化钒的相变性能。(二)VO/Graphene/AlO的制备及性能研究在Graphene/AlO表面用磁控溅射沉积金属钒膜,最后用水氧化法制备二氧化钒薄膜。采用多种表征手段对VO/Graphene/AlO薄膜的表面形貌、晶体结构以及相变前后的电阻变化进行测试。结果表明,加热温度为550℃,Ar载气流速为0.7 L/min,氧化时间2小时条件有利于二氧化钒薄膜的生长,样品具有较窄的热致宽度以及伴随着3-4个数量级的电阻率变化。相比于单纯在蓝宝石上生长二氧化钒薄膜,作为缓冲层的石墨烯对二氧化钒薄膜的生长起到一定的优化作用。此外,论文研究了不同厚度石墨烯对二氧化钒薄膜的生长和相变性能影响。结果表明随着厚度的增加,二氧化钒相变的热滞宽度降低,同时电阻率变化幅度增大。