[发明专利]一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚稳态二氧化钒薄膜材料的生长方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

钒的氧化物具有多种价态，根据钒的价态由低到高依次为VO–V₂O₃–VO₂–V₂O₅，研究表明，在V₂O₃和VO₂之间存在V_nO_2n-1(3≤n≤9)的中间相，含有V³⁺和V⁴⁺；而在VO₂–V₂O₅之间存在V_nO_2n+1(3≤n≤6)的中间相，含有V⁴⁺和V⁵⁺。利用磁控溅射方法，可以生长钒的氧化物，通常情况下一般生长得到的是V₂O₅薄膜，而生长具有化学计量比的外延VO₂薄膜具有很大的挑战性。

常压下二氧化钒通常具有3种晶相：(1)亚稳态的单斜金红石结构（B），记作VO₂(B)；(2)单斜金红石结构（M），记作VO₂(M)；(3)四方结构（R），记作VO₂(R)。其中VO₂(B)是亚稳相，本发明在于利用磁控溅射方法，使用金属V靶，生长VO₂(B)。

发明内容

本发明针对具有化学计量比的VO₂薄膜生长困难、质量较差的技术问题，提供一种稳定可靠的制备工艺，用来生长VO₂(B)薄膜材料，它可用于红外探测的热敏材料。

本发明的技术方案如下：

一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射技术，包括以下步骤：

（1）采用纯度较高的金属钒靶，准备氩气和氧气气体；磁控溅射仪至少包括样品准备腔和生长腔这两个真空腔室，生长腔室抽真空至4.5×10^-4Pa以下；

（2）靶材预溅射：只通入Ar气体，设定溅射功率，清洗金属钒靶表面的氧化部分和一些污染物杂质；

（3）衬底升温到要求温度，并保温10分钟左右，以达到平衡状态；

（4）通入氩气和氧气气体，其比率为10：1，调节真空室压强在1Pa，启动射频溅射工作源，溅射功率为40W，开始溅射；

（5）薄膜生长速率为200nm/h,生长至要求厚度后，关闭加热电源，使样品自然冷却，在此过程，打开真空阀，分子泵保持打开状态。

所述金属钒靶的尺寸为2英寸，衬底为单晶材料。

步骤（1）中所述的金属钒靶、氩气和氧气的纯度均大于等于99.9%。

步骤（2）中所述的溅射功率为40到60W，不适宜采用过高的溅射功率，否则薄膜结构难以控制，且质量较差，钒的价态也不易控制。

步骤（3）中所述的衬底温度不宜采用过高的温度，否则容易得到非+4价钒的氧化物，如V₂O₅，实验结果表明，衬底应低于500℃，生长窗口温度在350到450℃之间。

本发明的二氧化钒薄膜材料的生长方法，通过采用合适的生长温度、氧气/氩气之比，以及较低的溅射功率，获得了显著的优点：（1）可获得具有化学计量比的二氧化薄膜，生长得到的薄膜具有严格（001）取向，没有金属－绝缘体相变，具有良好的电阻－温度系数；（2）在此工艺下，衬底的种类对于薄膜结构没有显著的影响，可以在低廉的衬底上生长出可以用于器件的高质量薄膜材料。（3）本发明所需设备和制备过程简单可靠，成本低廉、工艺重复性好，可在传感、信息等领域获得应用。

附图说明

图1是生长在蓝宝石衬底上的VO₂(B)薄膜的典型XRD图；

图2是生长在硅衬底上的VO₂(B)薄膜的典型XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。

本例使用的磁控溅射仪具有2个真空腔室：生长腔室和样品放置腔室；具体生长设备为沈阳科友真空技术研究所生产的MS450B型超高真空多靶磁控溅射设备。