[发明专利]一种VOx/M/VOx“三明治”结构薄膜制备VO2的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明通过三明治结构制备氧化钒热敏薄膜的制备方法，属于红外探测器与成像 器件领域和节能材料领域。

背景技术

氧化钒薄膜因为具有很高的电阻温度系数(TCR),适当大小的电阻，并且在相变前 后其红外区域的透过率的变化非常明显，所以成为目前最广泛使用的非制冷红外探测器和 智能窗用的热敏薄膜材料。

二氧化钒M相薄膜在68℃具有半导体到金属相的转变，热滞回线易使器件运行混 乱，相变过程中还伴有很大的热量变化，因此，制备出在室温下具有较高TCR，合适的方块电 阻的氧化钒热敏薄膜成为了研究人员的重点研究对象。

氧化钒薄膜可以用很多方法沉积得到。([1]Monfort,O.Appl.Surf.Sci. 2014,322,21?27.[2]Mathevula,L.Appl.Surf.Sci.2014,314,476?480.[3] Jiang,M.ThinSolidFilms2014,562,314?318.)而磁控溅射法因为其制得薄膜高度 的均匀性和高纯度被广泛使用。目前溅射使用最多的靶材为V金属靶和V₂O₅陶瓷靶，但是因 为薄膜的氧含量受很多条件的影响，例如溅射时腔室内的氧分压，管式炉中残留的氧气，其 都不能很好地控制薄膜的化学计量比。还有，在用V₂O₅陶瓷靶制备薄膜过程中，需要H₂退火 还原或者高真空，高温来制备均匀的VO₂薄膜([4]Wang,Y.L.Surf.Coat.Technol. 2007,201,6772?6776.)。VO₂薄膜的化学计量比将影响其在相变过程中的相结构，富氧环 境容易形成B相然而缺氧环境容易形成M相VO₂薄膜。

本发明即是针对氧化钒薄膜的氧含量难以控制这一问题，提供了一种在恰当的溅 射和退火条件下能通过控制中间金属层的含量自动调节相结构的三明治结构VO_x/M/VO_x多 层膜制备VO₂的方法。同时中间高价金属阳离子还可以起到掺杂的效果提高薄膜的电学性 能。

发明内容

本发明的目的是提供一种VO_x/M/VO_x三明治结构薄膜制备VO₂的方法，其特征在于 具有如下的制备过程和步骤：

a.首先用磁控溅射法在衬底上沉积三层薄膜：

底层VO_X：金属靶V反应沉积或V₂O₅陶瓷靶无氧分压直接沉积；厚度为50nm～100nm；磁 控溅射法的工作压力为0.5Pa～1Pa；沉积时间为5min～20min；直流溅射功率为50W～ 200W，优选100W；射频溅射的功率为100W～300W，优选200W；

中间金属层M：中间金属为V,或高价金属阳离子W；沉积厚度为2nm~5nm。

上层VO_X：金属靶V反应沉积或V₂O₅陶瓷靶无氧分压直接沉积；厚度为50nm～100 nm；磁控溅射法的工作压力为0.5Pa～1Pa，沉积时间为5min～20min；直流溅射功率为 50W～200W，优选100W；射频溅射的功率为100W～300W，优选200W；

所述的衬底为石英或单晶硅。

所述的VO_x/M/VO_x三明治结构薄膜的厚度为100nm～200nm，优选100nm~150nm；

b.薄膜的退火：薄膜需经过管式炉退火，退火温度为200℃～500℃，保温时间为10 min~120min；先利用机械泵抽取本底真空至1Pa左右，停止抽真空，通氩气再升温至所需 温度，保温一定时间后停止加热，自然冷却；最终得到VO₂薄膜。

2.所述VO_x/M/VO_x三明治结构薄膜制备的VO₂的应用及用途

a.用于非制冷焦平面探测器：制备的VO₂薄膜晶型为B相或者M相；VO₂薄膜的负电阻温 度系数为-2%/K~-5%/K,方块电阻为10KΩ/□~70KΩ/□；