[发明专利]一种二氧化钒薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化钒薄膜的制备方法，采用了原子层沉积薄膜制备技术及真空氧分压后处理退火工艺。采用原子层沉积技术，使两种不同的钒氧化物薄膜制备所需前驱体交替注入原子层沉积反应腔，与基底层表面进行化学吸附及化学反应制备钒氧化物薄膜。在充有氧气的退火炉中进行退火处理，形成价态归一的结晶型五氧化二钒薄膜；将五氧化二钒薄膜置于一定氧分压的真空退火炉中进行退火处理，制备结晶态的二氧化钒薄膜。本发明所采用的原子层沉积薄膜制备方法具有自动化程度高、薄膜厚度精确可控、薄膜均匀性好、重复性好以及薄膜与基底层粘附强度高等特点。本发明的二氧化钒薄膜具有良好的温度‑红外特性，可应用于热致相变器件的研发与应用。

技术领域

本发明涉及一种二氧化钒薄膜的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

建筑能耗是指人们在日常工作生活中因采暖、空调、照明、炊事等而消耗的能量。在我国，当前的空调能耗占总建筑能耗的70％左右，占有总能耗(建筑能耗、工业能耗、农业能耗及交通运输能耗)的22％左右。建筑节能已成为世界共同关注的课题，其中提高建筑中的能源利用率是建筑节的能研究重点，其宗旨是在保证建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。门窗作为冷热桥，其保温隔热性能是建筑节能的关注焦点。

智能玻璃是一种可以感知室内温度需求进而对阳光中红外线的透过率进行调节来实现智能控温。二氧化钒(M相)作为一种无机氧化物具有独特的热致色变特性，在68℃附近发生金属-绝缘体相变(MIT)，相变过程伴随着光、电、磁等性质的急剧变化，且其变化为可逆的。二氧化钒独特的相变特性使其可应用于智能玻璃、记忆存储材料、光电开关以及红外探测等。因此，二氧化钒薄膜的制备与研究具有十分重要的科学与现实意义。

钒的氧化物价态从+2价到+5价有多种价态，同时存在很多稳定相，如氧化钒，三氧化二钒，二氧化钒，七氧化四钒以及五氧化二钒等。除五氧化二钒外，其他每种价态的钒氧化物仅在很窄的温度区间范围内可以制备，此外二氧化钒本身存在多种相态，因此高纯度M相的VO₂制备较为困难。

目前二氧化钒薄膜的常用制备方法有磁控溅射法、溶胶-凝胶法以及化学气相沉积法等，不同的制备方法所制备的二氧化钒薄膜纯度、表面结构以及光电学性能有着较大的差异。磁控溅射法是在高压下通过钒靶溅射成膜，配合后续退火工艺制备二氧化钒薄膜，其薄膜厚度均匀性及可控性较差。此外，磁控溅射法在曲面及其他复杂表面成膜困难，难以广泛应用。溶胶-凝胶法制备二氧化钒薄膜具有环境不友好、厚度均匀性及精确度难以保证等缺点。此外，溶胶-凝胶法在大面积基底及复杂结构表面成膜困难。化学气相沉积法制备二氧化钒薄膜因反应温度高、对基底损伤大以及薄膜厚度难以精确控制等原因而无法广泛应用。

发明内容

为了解决上述二氧化钒薄膜制备方法存在的不足，本发明提供一种反应温度低、对基底损伤小、大面积三维均匀性好、薄膜厚度精确可控、薄膜组分可精确调控、合成时间短、能耗低、工艺简单、可大面积成膜以及可在复杂结构表面成膜的二氧化钒薄膜制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种二氧化钒薄膜的制备方法，包括以下步骤；

步骤一：原子层沉积制备钒氧化物薄膜

(1)将清洗干净的耐高温基底层置于原子层沉积反应腔内，使惰性载气直接流经基载玻片表面；

(2)启动原子层沉积设备的真空系统对原子层沉积反应腔进行抽真空使其处于负压，启动温度控制系统对原子层沉积系统不同部位进行加热保温使各部位分别处于相应温度范围内，启动流量控制系统向原子层沉积系统注入惰性载气，设定原子层沉积反应过程阀门控制程序，启动前驱体注入系统以备前驱体的注入，启动废气处理系统对反应过程产生的废气进行吸收处理；