在金屬基底上製備具有相變特性納米二氧化釩薄膜的方法

2023-08-08 01:00:51

專利名稱：在金屬基底上製備具有相變特性納米二氧化釩薄膜的方法
技術領域：
本發明是關於二氧化釩納米薄膜的，具體涉及一種在金屬基底表面製備具有相變特性的二氧化釩納米薄膜的方法。
背景技術：
自從1959年F. J. Morin首次發現VO2的熱致相變特性以來，一直是相關領域研究熱點之一。隨著對氧化釩性質研究的逐漸深入，發現氧化釩具有13種不同的氧化物相， 可以和氧結合形成多種氧化物，這些氧化物的晶格結構和空間排列各不相同，其中至少有8 種氧化釩具有從低溫半導體相到高溫金屬相的轉換特性，轉換溫度約在-147 68°C處，其中二氧化釩(VO2)因其轉化溫度在室溫附近而最具有吸引力。特別是近年來氧化釩薄膜材料的研究不僅克服了塊狀氧化釩材料伴隨著相轉換出現的體積變化導致的開裂現象及製備成本高的缺點，而且由於可以和半導體技術、微電子機械系統(MEMS)技術相結合製作出各種體積微小、工藝兼容、價格低廉的電學和光學開關器件、光存儲器、傳感器、固態電池陰極等，極大地拓展了二氧化釩薄膜在電子學、光學方面的應用範圍。在二氧化釩薄膜的應用過程中，金屬通常作為器件的電極出現，器件結構中存在金屬和二氧化釩薄膜界面，金屬電極是影響薄膜相變特性的重要因素，如何把二氧化釩薄膜製作在金屬電極上，使其仍具有很好的相變特性成為了研究的重要內容。

發明內容
本發明的目的是提供一種在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，採用該方法製備的二氧化釩納米薄膜具有良好的相變特性。本發明通過以下技術方案予以實現，工藝步驟如下(1)矽基片表面清洗，採用標準半導體清洗工藝；(2)採用等離子體增強化學氣相沉積方法在矽基片上生長二氧化矽薄膜；(3)採用磁控濺射方法，在上述二氧化矽/矽基片上沉積金屬薄膜；(4)採用射頻磁控濺射方法在金屬表面製備氧化釩薄膜，工藝條件為本底真空度為(2-3) X10_4Pa，濺射時的工作氣壓為l_2Pa，所用功率為180W，濺射時間3_8分鐘，Ar、 O2氣體流量分別為20和0. 4SCCM ；(5)將製得的氧化釩/金屬/ 二氧化矽/矽多層薄膜結構置於管式退火爐中進行熱處理，熱處理溫度為400-500°C，退火時間為1-2小時，從而得到性能良好的具有相變特性的二氧化釩薄膜。所述步驟(1)對矽基片表面清洗採用標準半導體清洗工藝。所述步驟(3)在二氧化矽/矽基片上沉積的金屬薄膜，為金屬TiN底電極、金屬Ti 底電極或者金屬NiCr底電極。所述步驟(5)的熱處理溫度為440°C，退火時間為1. 5小時。本發明的有益效果為
提供了一種在金屬基底表面製備具有良好相變特性的二氧化釩納米薄膜的方法。(1)本發明的金屬基底上二氧化釩薄膜的製備工藝可與MEMS工藝兼容，製備過程可控性能高，薄膜性能穩定。(2)由本發明在金屬/ 二氧化矽/矽基片上製備的具有相變特性二氧化釩納米薄膜的相電阻值躍變幅度接近2個數量級，金屬態與半導體態區別明顯，相變過程連續可逆， 可用於對其他微結構進行調控。


圖1為本發明矽基金屬基底的結構示意圖；圖2為本發明金屬/矽基底二氧化釩薄膜的結構示意圖；圖3為實施例1的TiN基底上二氧化釩薄膜的電阻隨溫度變化的曲線圖；圖4為實施例2的Ti基底上二氧化釩薄膜的電阻隨溫度變化的曲線圖；圖5為實施例3的NiCr合金基底上二氧化釩薄膜的電阻隨溫度變化的曲線圖；圖6為實施例1所製得的二氧化釩薄膜的XRD圖。圖1和2中的附圖標記如下1——娃基底2——二氧化矽層3——金屬層4——二氧化釩薄膜層
具體實施例方式本發明所用化學原料均採用分析純原料，具體實施例如下。實施例1(1)採用厚度為380-420 μ m，長2. 5cm，寬lcm，ρ型100單面拋光單晶矽片作為基片，對矽基片表面進行如下處理取質量濃度為98%的&S0430毫升和質量濃度為30%的 H2O2IO毫升配成清洗液，將矽片放入清洗液中，在室溫條件下浸泡，放置40分鐘，除去了表面的有機汙染物；將矽片從混合酸中取出後用去離子水衝洗3遍，再放入體積為30毫升、質量濃度為20%的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化層；再用去離子水衝洗乾淨；將矽片放在體積為20毫升的丙酮溶液中超聲清洗5分鐘；將矽片取出，再放入體積為20毫升的無水乙醇中超聲清洗5分鐘；取出矽片烘乾備用；(2)採用等離子體化學氣相沉積法(PECVD)方法，在步驟(1)的矽片上先沉積一層二氧化矽薄膜，具體做法是先將處理好的多孔矽片置於真空室，抽背底真空至 4. 5 X KT1Pa,工作氣體壓強為4. 3Pa，基片溫度為150°C，工作氣體為N2O和SiH4，氣流量分別為12ml/min和38ml/min，澱積時間為10分鐘，得到的SW2層厚度為IOOOA;(3)採用射頻反應磁控濺射法，在步驟( 的附有二氧化矽的矽基片製備金屬TiN 底電極，電極的厚度為ιοοοΑ;如圖ι所示，為製備氧化釩薄膜的基底表面，通過將金屬基底和S^2基底表面結合起來，利於釩金屬粒子與氧離子的反應；(4)採用射頻反應磁控濺射法，在步驟(3)的附有TiN底電極表面製備二氧化釩薄膜，質量純度為99. 9%的金屬釩作為靶材，氬氣與氧氣的質量純度分別為99. 999%和 99. 995%，反應磁控濺射的具體步驟為抽背底真空至2X10_5Pa，氧氣和氬氣流量分別比為20ml/min :0. 4ml/min,濺射氣壓6 X 10_2Pa，濺射功率為200W，濺射時間5分鐘，基片溫度為室溫，得到長度為2cm，寬度為0. 2cm的氧化釩薄膜層；(5)將步驟(3)的二氧化釩薄膜置於管式退火爐中，在450°C下保持1小時。如圖 2所示，為形成的W2薄膜多層結構。對上述二氧化釩薄膜進行電阻溫度特性測試，溫度範圍為20-80°C，電阻溫度曲線如圖3所示，二氧化釩薄膜的相變溫度為68°C，電阻值變化幅度接近2個數量級。實施例2實施例2與實施例1的不同之處在於步驟3中採用射頻反應磁控濺射法，在上述附有氧化矽的矽基片製備金屬Ti底電極，電極的厚度為ιοοοΑ，得到的二氧化釩薄膜的相變溫度為70°c，相變明顯，幅度低於1個數量級；電阻溫度曲線如圖4所示。實施例3實施例3與實施例1的不同之處在於步驟3中採用射頻反應磁控濺射法，在上述附有氧化矽的矽基片製備金屬MCr底電極，電極的厚度為1000A，得到的二氧化釩薄膜的相變溫度為68°C，電阻值由70 Ω / □迅速下降至35 Ω / □存在相變特性；電阻溫度曲線如圖5 所示。圖6為實施例1所製得的二氧化釩薄膜的XRD圖，從圖中可以看出，薄膜成分為單斜金紅石結構二氧化釩；通過對比圖3、4、5可以看出，利用本發明的製備方法，在金屬電極上均可以獲得具有良好半導體-金屬相變特性的二氧化釩薄膜，相比現有的二氧化釩薄膜製備技術，通常只在高電阻的介質上製備具有相變特性的二氧化釩薄膜，本發明可以在低電阻值的金屬上製備二氧化釩薄膜，增加了其在存儲器件中的應用。
權利要求
1.一種在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，具有如下步驟(1)對矽基片表面清洗；(2)採用等離子體增強化學氣相沉積方法在矽基片上生長二氧化矽薄膜；(3)採用磁控濺射方法，在上述二氧化矽/矽基片上沉積金屬薄膜；(4)採用射頻磁控濺射方法在金屬表面製備氧化釩薄膜，工藝條件為本底真空度為 (2-3) X 10_4Pa，濺射時的工作氣壓為l_2Pa，所用功率為180W，濺射時間3_8分鐘，Arj2氣體流量分別為20和0. 4SCCM ；(5)將製得的氧化釩/金屬/二氧化矽/矽多層薄膜結構置於管式退火爐中進行熱處理，熱處理溫度為400-500°C，退火時間為1-2小時，從而得到性能良好的具有相變特性的二氧化釩薄膜。
2.根據權利要求1的在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟(1)對矽基片表面清洗採用標準半導體清洗工藝。
3.根據權利要求1的在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟C3)在二氧化矽/矽基片上沉積的金屬薄膜，為金屬TiN底電極、金屬 Ti底電極或者金屬NiCr底電極。
4.根據權利要求1的在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，其特徵在於，所述步驟(5)的熱處理溫度為440°C，退火時間為1. 5小時。
全文摘要
本發明公開了一種在金屬基底表面製備具有相變特性二氧化釩納米薄膜的方法，步驟為(1)對矽基片表面清洗，(2)採用等離子體增強化學氣相沉積方法在矽基片上生長二氧化矽薄膜，(3)採用磁控濺射方法，在二氧化矽/矽基片上沉積金屬薄膜，(4)採用射頻磁控濺射方法在金屬表面製備氧化釩薄膜，(5)將製得的氧化釩/金屬/二氧化矽/矽多層薄膜結構置於管式退火爐中於400-500℃熱處理，得到具有相變特性的二氧化釩薄膜。本發明的方法可與MEMS工藝兼容，可控性能高，薄膜性能穩定，金屬態與半導體態區別明顯，相變過程連續可逆，可用於對其他微結構進行調控。本發明極大地拓展了二氧化釩薄膜在電子學、光學方面的應用範圍。
文檔編號C23C28/00GK102181827SQ20111008065
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者後順保, 梁繼然, 胡明 申請人:天津大學