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Cr-Nb共掺杂vo2外延薄膜金属—绝缘体转变与温度传感特性研究

Cr-Nb共掺杂VO2外延薄膜金属—绝缘体转变与温度传感特性研究

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作者：姚迎学合肥工业大学

学位级别：硕士

vo在68℃附近发生可逆一级金属—绝缘体相变(MIT),在相变区域伴随着光吸收、折射率、电阻率、磁化率和比热等物理性质的改变。前期研究表明,vo薄膜具有电阻温度变化系数(TCR)高且易于和现代半导体工艺兼容性好等特点,有望实现规模化应... 详细信息

vo在68℃附近发生可逆一级金属—绝缘体相变(MIT),在相变区域伴随着光吸收、折射率、电阻率、磁化率和比热等物理性质的改变。前期研究表明,vo薄膜具有电阻温度变化系数(TCR)高且易于和现代半导体工艺兼容性好等特点,有望实现规模化应用。然而,vo薄膜相变温度(68℃)低、TCR曲线迴滞大、对光波长的分辨能力差等缺点和不足,大大限制其在温度探测器和热红外探测器中的应用。针对上述问题,本论文采用元素共掺杂策略,探究了铬(Cr)和铌(Nb)两种金属元素共掺杂对vo外延薄膜金属—绝缘体相变特性的调控规律,研究了掺杂vo外延薄膜的微结构、温感和光感特性,并提出了光热探测电路的设计方案,取得了如下研究成果:(1)vo薄膜微结构及其金属—绝缘体转变的掺杂和应变调控研究。采用磁控溅射技术,制备了不同掺杂比例vo外延薄膜;利用XRD、RAMAN光谱、XPS等表征手段,研究了薄膜的晶体和电子结构,发现了Cr、Nb(共)掺杂不影响薄膜外延特性,室温下vo仍然保持单斜绝缘相;从薄膜表面价态分析发现:掺杂未改变vo电子价态,V元素仍然以V形态存在,而掺杂元素Cr和Nb分别以Cr和Nb形式存在。薄膜电输运性能研究表明:掺杂薄膜的金属—绝缘体转变被抑制,热迴滞宽度明显减小,电阻随温度变化曲线的线性度变好。另一方面,我们利用应变调控把vo/Ti O外延薄膜体系相变温度降低至室温附近。(2)vo薄膜的温感和光感特性研究。利用自搭建原位光调控试验平台,通过对温度和光功率以及波长的控制,确定了温度传感特性和光传感性与元素掺杂量及其比例的关系。我们发现,当Cr:Nb元素掺杂比例接近2:1时,该掺杂薄膜的温度传感特性(TCR、热迴滞宽度、线性度)最好,其TCR(dln R/d T)高达-3.6%以上;热迴滞宽度小于0.5℃;另外,在20℃、60℃和100℃条件下,薄膜电阻随着可见光强度的变化也接近线性,而且对波长530 nm的绿光响应更好;基于掺杂vo薄膜的光热特性,提出了二维光热探测阵列电路设计方案,有望应用于宽温区、非制冷型光热探测器。

关键词： vo2外延薄膜 Cr-Nb共掺杂金属—绝缘体转变温度传感特性光传感特性

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脉冲激光沉积法制备vo2外延薄膜及其性能研究

脉冲激光沉积法制备VO2外延薄膜及其性能研究

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作者：唐志武湖北大学

学位级别：硕士

二氧化钒(vo)是一种典型的具有热致相变性质的金属氧化物。在68°C时发生从高温金属相到低温绝缘体相的可逆相转变,在相变过程中伴随着电阻率、红外透过率、磁学等性质的可逆突变,使得其在光电开关、红外探测器、存储器等领域具有广阔... 详细信息

二氧化钒(vo)是一种典型的具有热致相变性质的金属氧化物。在68°C时发生从高温金属相到低温绝缘体相的可逆相转变,在相变过程中伴随着电阻率、红外透过率、磁学等性质的可逆突变,使得其在光电开关、红外探测器、存储器等领域具有广阔的应用前景。钒较易形成变价氧化物,主要包括vo、vo、vo,因而生长纯相vo比较困难。vo金属-绝缘体相变(MIT)特性对氧空位、应变等十分敏感,生长高质量vo薄膜是对其进行深入研究的基础。本论文采用脉冲激光沉积(PLD)法,以vo陶瓷作为烧蚀靶材,高纯氧气作为反应气体,分别在c面蓝宝石、TiO(110)衬底上制备vo薄膜。系统研究了沉积氧压对c面蓝宝石上生长的vo薄膜结构和MIT性能的影响,以及c面蓝宝石和TiO(110)上生长的vo薄膜结构和MIT行为的厚度依赖特性。主要研究内容及结果如下:1、系统研究了沉积氧压对vo薄膜结构、形貌及MIT特性的影响,通过调节氧压实现了高质量单晶vo薄膜在c面蓝宝石衬底上的外延生长。研究结果表明:氧压过低薄膜MIT特性不明显,而氧压过高容易生成vo,最终确定了在600°C下制备vo外延薄膜的最佳氧压为1.2 Pa。XRD测试结果表明vo薄膜与c面蓝宝石的外延关系为:vo(010)//AlO(0001),vo[100]//AlO[10-10]。AFM测试表明薄膜表面十分平整光滑。当沉积氧压在0.3 Pa至1.5 Pa之间时,制备的薄膜都表现出明显的MIT特性,相变温度从52.1°C升高到67.8°C,表明薄膜中氧空位可以有效调节vo相变温度。2、保持衬底温度600°C和沉积氧压1.2 Pa不变,通过改变沉积脉冲个数在c面蓝宝石衬底上制备了不同厚度vo外延薄膜。研究了不同厚度vo薄膜的晶体结构、表面形貌和MIT特性等。当薄膜厚度为210 nm时,vo(020)面摇摆曲线半高宽低至0.034°,表明薄膜面外取向度高,晶体质量非常好。随着薄膜厚度增加薄膜中的缺陷密度增大,导致薄膜表面均方根(RMS)粗糙度增大。随着薄膜厚度从14 nm增加到210 nm,相变温度从65.15°C增加到70.6°C,而当膜厚从210 nm继续增加到525 nm时,相变温度从70.6°C减小到68.1°C,逐渐达到vo块体材料相变温度68°C。相变宽度(35)H随膜厚增加单调减小,表明薄膜厚度可以有效调节vo薄膜的相变特性。3、通过改变沉积脉冲个数在TiO(110)衬底上制备了厚度从5.2 nm到300 nm的一系列vo薄膜,研究了其厚度依赖特性。结果表明:薄膜厚度增加伴随缺陷密度增大,使得vo薄膜(110)面摇摆曲线半高宽从0.078°增大到0.567°,同时薄膜表面均方根(RMS)粗糙度增大。厚度为9.5 nm薄膜的RMS粗糙度只有0.208 nm,表明薄膜表面达到了原子级平滑。通过原位变温倒易空间测试,清晰观察了厚度为88 nm vo薄膜在MIT过程中的晶体结构转变过程,发现晶体结构转变与电阻率突变发生在同一个温度点。当薄膜厚度从5.2 nm增加到300 nm时,相变温度从75.8°C降低到49.4°C。随着薄膜厚度增加,晶格常数a增大、c减小,c/a减小,表明c/a能有效调节相变温度,即:影响相变温度的内在因素是晶格常数大小。

关键词：脉冲激光沉积(PLD) vo2外延薄膜金属-绝缘体相变(MIT) 厚度依赖特性

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关联电子氧化物vo2/Nb:TiO2外延异质结的输运性能与金属—绝缘体转变调控研究

关联电子氧化物VO2/Nb:TiO2外延异质结的输运性能与金属—绝缘体...

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作者：王桂林合肥工业大学

学位级别：硕士

二氧化钒(vanadium dioxide,vo)是关联电子氧化物的典型代表之一,在340K附近发生可逆的金属—绝缘体转变(Metal—insulator transition,MIT),在转变前后,它的光吸收、电阻率、磁化率、折射率和晶体结构等物理性质也发生相应的剧烈变化,... 详细信息

二氧化钒(vanadium dioxide,vo)是关联电子氧化物的典型代表之一,在340K附近发生可逆的金属—绝缘体转变(Metal—insulator transition,MIT),在转变前后,它的光吸收、电阻率、磁化率、折射率和晶体结构等物理性质也发生相应的剧烈变化,这使其在新型晶体管、相变存储、光电开关和红外探测等领域具有极大的应用前景,而且高质量的vo薄膜与现代微电子工艺兼容性较好,在红外探测器领域逐步开始规模化应用。另一方面,vo金属—绝缘体转变机理及其外场(例如:电场、掺杂、应变、温度等)调控规律,成为凝聚态物理领域的研究热点,然而,电场、掺杂、应变、温度等手段对vo薄膜金属—绝缘体转变的调控都是接触式的,难以施加原位动态的掺杂、应变、温度等外场条件,也不利于器件集成,阻碍了基于vo的电子器件走向实用化。有所不同的是:光场对vo金属—绝缘体转变的调控能够克服上述传统调控手段静态的、接触式的以及难以集成的不足,进而达到动态、非接触式地对vo金属—绝缘体转变进行可逆调控。不仅如此,当前vo金属—绝缘体转变的光场调控研究主要集中在横向平面薄膜中,纵向垂直薄膜及其异质结中的金属—绝缘体转变调控研究尚处于初期阶段,亟需进一步探索。基于上述研究背景与不足之处,本论文首先利用高真空磁控溅射技术在掺Nb的TiO(Nb:TiO)晶体衬底上生长关联电子氧化物薄膜vo,构建vo/Nb:TiO外延异质结,深入研究该外延异质结相变驱动的电输运特性;紧接着,利用光场对关联电子氧化物外延异质结金属—绝缘体转变特性进行调控研究,并且对MIT的光场调控机制进行了初步讨论,主要取得了以下研究成果:(1)vo/Nb:TiO外延异质结微结构及其相变驱动电输运特性的研究。我们利用磁控溅射技术在0.05 wt%掺杂的Nb:TiO半导体晶体上生长了vo薄膜,构建了垂直外延异质结器件vo/Nb:TiO,并对其微结构和电输运性能进行了表征,我们发现该垂直异质结器件具有与横向单层vo薄膜相似的MIT行为,表现出物相依赖的整流特性,而且在变温过程中显示出迴滞特性。当在相变温度以下时(例如:24 C),在±1 V偏压下,整流比(Rectification Ratio,RR)高达7000,如此大的RR主要归因于绝缘相的vo外延薄膜与Nb:TiO衬底之间形成的交错n-n型异质结构;当温度升高到相变温度以上时,RR降低到29.4,这是由于在较高温度时金属相的vo外延薄膜与Nb:TiO衬底之间形成了肖特基结,电子热发射增强,导致结区电流增大,整流效应减弱。另外,在MIT过程中,势垒高度和理想因子在加热和冷却过程中都可逆地增加和减少,并具有迴滞特性。升高温度时,势垒高度由M1相中的0.825 e V,增加至R相中0.9 e V,在MIT附近的相共存区域中减小;理想因子由1.024增加至1.030。可见,RR、势垒高度和理想因子的迴滞行为由界面处vo薄膜金属—绝缘体转变驱动的,而且,不同偏置电压下的整流比与vo/Nb:TiO界面上电压调控的能带结构密切相关。这项研究工作表明,基于关联电子体系vo的垂直异质结器件的输运特性可通过MIT特性来进行设计,并且能够在垂直界面处实现更加有效的电压调控,比传统平面结构中的电流调控MIT更加有效。(2)vo/Nb:TiO外延异质结的光响应表征及光场对金属—绝缘体转变的调控研究。我们研究了vo/Nb:TiO纳米尺度异质界面上的金属—绝缘体转变的光场调控特性。我们发现该异质结MIT幅度从黑暗状态的350倍降低到光照状态下的7倍,并且以幂指数规律依赖于光功率密度。通过打开和关闭光照,能够可逆地、同步地调控异质结的高、低电阻态,且该异质结电阻的光学调控率也与光功率密度成幂指数依赖。在低于MIT温度下,当光照功率密度为65.6 m W/cm时,结电阻的光学调控率达到320倍;当升高温度时,vo薄膜转变为金属态时,结电阻的光学调控率仅有约1倍的变化。上述研究结果归因于异质结势垒高度的降低(净减少15 me V)和光伏效应诱导的异质界面处vo的金属化。在低温下,可见光光照激发Nb:TiO深缺陷能级电子跃迁至导带,在异质结内建电场的作用下进入vo的d能带,进而诱导异质界面绝缘相vo金属化;而在MIT温度以上,异质结转变为肖特基型结,光照对金属相vo能带结构的调控减弱,进而导致结电阻的调控率大幅降低。该项研究工作表明:非接触式的光学手段可以有效操纵关联电子材料vo的MIT行为,有望在非致冷型的光电检测和光电开关中得到广泛的应用。

关键词： vo2外延薄膜关联电子体系金属—绝缘体转变外延异质结电输运特性光场调控势垒高度理想因子能带

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