二氧化钒薄膜测试研究(2)

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3.1.3 溶胶———凝胶法 14

3.1.4 脉冲激光沉积 14

3.1.5 液相沉积法和热分解法等 14

3.2 二氧化钒制备 15

3.3 实验结果及分析 15

3.3.1 透射率 15

3.3.2 回滞曲线分析 19

3.4 本章小结 21

总结 23

致谢 24

参考文献 25

1 绪论

1.1 引言

1958年，科学家F．J．MORI在贝尔实验室发现钒和钛的氧化物具有一种特殊的现象：随着温度的降低，在一定的温区内材料会发生从金属性质到非金属性质的突然转变，同时还伴随着晶体向对称程度较低的结构转化。

目前发现具有这种特性的化合物有钛、钨、钦、妮、铁、镍、铬、钒等过渡族元素的化合物，如Ti4O7, Ti3O5, Ti6O9, Fe3O4, FeSi2,CrS, NbO2, NiS,VOX等。钒的氧化物中，VO2由于相变温度接近室温(Tc=68℃)而具有更好的应用前景。表1-1列出钒的多价态氧化物的相变温度以及主要性质[1]。

对钒氧化物的研究已经历时半个多世纪，该材料的相变机理至今未完全清楚。元素钒具有过渡金属离子的多价特征，V-O系是一个有多种化学计量配比化合物的系统。在大气环境下，五氧化二钒是该系列中最稳定的相，其他氧化物往往是混合相。要获得具有化学计量配比的氧化钒，是首先遇到的难题。

VO2是众多钒氧化物中研究得最多的一种，不仅是因为VO2显著的突变性质，更重要的是其相变温度在68℃，最接近室温，因而最具有实用潜力。VO2在低温半导体和高温金属态之间的变化是一种高速可逆相变。当升温达到相变点时，材料的结构和性能同时在纳秒级时间范围内发生突变，晶体由单斜转变为四方，其电阻可突变，红外波段光谱特性由高透射变为高反射。因而可以被广泛应用于热开关、温度传感器、信息存储以及大面积玻璃幕墙等领域。国内外近年来对VO2的应用基础研究热潮此起彼伏，薄膜变色开关器件是主要的研究方向。VO2的光电转换性能已经用于热触发电转换器、电致变色和光致变色装置、热敏传感器和透明导体的研制H1。优良的VO2薄膜红外波段两态透射率可分别达到85％和1％，可用于研制近红外的全光网络光开关。安装在红外光电传感器及光电探测器窗口，阻止大功率激光或热红外波损害的光学系统和光学元件也在开发之中。制造工艺的困难是二氧化钒实用化的最大瓶颈。由于受到各方面条件的限制，所制得的VO2薄膜往往是多种钒氧化物的混合物，使其相变性能降低。如何得到纯度较高的VO2薄膜，如何降低其它钒氧化物的含量，是二氧化钒应用的首要问题[2]。

由F．Thcobaldeta1．首次命名的VO2(B)是一个亚稳定化合物，通过退火可以变为稳定的具有金红石结构(或是相应的单斜结构)的VO2。VO2(B)在20°C一80℃之间不存在相变，没有电学、光学参数值的突变，没有热滞现象，所需制备温度低于VO2(M)，又具有适当的电阻率和较高的电阻温度系数(TCR)值，这些特点对于非制冷红外探测热敏材料是非常有利的。

表1 钒氧化物的相变温度

VO2在68℃发生从高温金属相到低温半导体相的突然转变，可通过掺入杂质来改变相变温度。目前我们项目组实验中获得的VO2相变温度可低至40℃，伴随着二氧化钒相变的发生，其晶体结构改变，电阻(率)发生3-4个数量级的突变，同时对红外光的反射率、透射率也发生显著的改变。对于二氧化钒薄膜的主要物理特性参量，总结如表2所示[3]。