[发明专利]自支撑VO2

说明书

本发明涉及一种自支撑VO₂薄膜及其制备方法和应用，所述自支撑VO₂薄膜的制备方法，包括以下步骤：在基底上形成VO₂薄膜，所述VO₂薄膜厚度为20nm及以上，所述VO₂薄膜具有多个纳米孔洞，单位面积内所述纳米孔洞个数为1个/μm²～3个/μm²，所述VO₂薄膜中面积为500nm²～2500nm²的所述纳米孔洞的占比为90％及以上；以及采用刻蚀液将所述基底刻蚀。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，特别是涉及一种自支撑VO₂薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着可穿戴设备的流行，柔性光电子器件越来越多地受到人们关注。由于具有丰富的功能性，金属氧化物成为构建柔性光电子器件的基石。在众多氧化物中，二氧化钒(VO₂)以其独特的金属-绝缘体相变特性，在柔性光电子器件中发挥着独特作用。热驱动下，VO₂在68℃附近经历金属-绝缘体的一级相变。伴随相变，VO₂的晶体结构和物理特性，如能带、热导率、电导率、折射率等都会发生剧变。作为一种性能优异的相变材料，VO₂被广泛应用于柔性光调制器、柔性应变传感器以及柔性驱动器等领域。

VO₂柔性器件可以利用单晶VO₂纳米线、VO₂粉体和VO₂薄膜构建。因其具有结晶性好、热容极小等优异特性，VO₂纳米线柔性器件如应变传感器、驱动器等均展现出十分优异的性能，如灵敏度高、响应速度快、功耗低等。但是，由于器件制备均一化和批量化问题目前还没有被解决，所以VO₂纳米线柔性器件尚无法投入实际应用。VO₂粉体制备工艺成熟且易于与有机物混合制成柔性薄膜。但是，由于VO₂粉体很难兼容硅基微加工工艺，所以不适合制备微纳器件。VO₂多晶薄膜可利用磁控溅射等低成本方法大量制备。相比于纳米线和粉体，VO₂多晶薄膜与硅基微加工工艺兼容性好，适于批量化制备微纳器件。VO₂多晶薄膜还易于与其它材料集成，一方面，可充分发挥不同材料特性，实现高性能器件；另一方面，通过集成，也可以构建多功能、可调谐器件。

然而，VO₂多晶薄膜制备过程中需要高温加热(500℃左右)，而普通柔性基底一般无法耐受这种高温，所以VO₂薄膜器件多构筑于SiO₂、Al₂O₃等传统硬质基底上，但是这会严重影响VO₂薄膜器件的柔性。为了解决这个问题，近年来研究人员也发展了多种方法，具体可分为两类：

一类为“直接生长法”制备柔性VO₂薄膜。针对VO₂薄膜制备中的高温问题，选择较为耐高温的柔性基底是一种解决策略。例如，Chen等人利用分子束外延法在云母基底上制备了柔性VO₂薄膜。他们利用机械剥离法剥离云母基底，从而获得超薄VO₂薄膜。通过引入合适的过渡层降低VO₂薄膜制备温度是另一种解决策略。例如，Jung等人通过引入TiO₂作为过渡层，在175℃下在聚酰亚胺(PI)薄膜上制备了VO₂薄膜。但是该VO₂薄膜结晶性很差导致其相变性能不佳。Chang等人通过在基底上引入Cr₂O₃层，将VO₂薄膜制备温度降低到300℃以下，并以此为基础在PI薄膜上成功制备了VO₂薄膜。