一種低相變溫度二氧化釩薄膜製備工藝的製作方法

2023-05-15 23:54:16

專利名稱：一種低相變溫度二氧化釩薄膜製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種二氧化釩薄膜的製備工藝，具體說，是一種通過非摻雜的反應磁控濺射沉積低相變溫度二氧化釩薄膜的簡易製備工藝方法。屬於功能薄膜技術領域。
背景技術：
二氧化釩(VO2)是一種過渡金屬氧化物，純的VO2具有在68° C左右從半導體態向金屬態轉變的特性。VO2薄膜在相變前後的可見光變化較小,而紅外光透射率 會發生較大幅度的變化。低於68° C時，晶體結構是單斜型，呈半導體態，有較高的紅外透射率，當高於68° C時轉變為金紅石相，呈金屬態，對紅外有較高的反射率。太陽光的能量9%分布在 O.2 O. 38 μ m的紫外光區，45%分布在O. 38 O. 78 μ m的可見光區，49%分布在O. 78
2.5 μ m的近紅外區，在O. 2 2. 5 μ m的波長範圍佔了 98%的能量。若使VO2薄膜相變點降到室溫左右，可將其用作智能窗材料。當冬天溫度低於相變點時，紅外光能透過VO2薄膜使室內溫度升高，當夏天溫度升高到相變點以上時，VO2發生相變使紅外光的透過率降低，室內溫度降低，實現冬暖夏涼的效果，如此循環往復可實現對室內溫度的智能化控制，實現對太陽能的綠色使用。在夏天使用這種智能窗可以節約電能約30%，用在車窗上則可節約燃料，因此這對於減輕能源緊張壓力、建設資源節約型社會具有非常重要的意義。為了實現VO2薄膜在智能窗上的應用，研究者們將努力製備低相變溫度的二氧化釩薄膜，使其相變溫度接近室溫。傳統的方法是通過高價態金屬摻雜(如W、Mo等)和非金屬摻雜可有效地把二氧化釩的相變溫度從68° C降低至室溫附近，由此形成了將二氧化釩薄膜應用於智能玻璃的構想。本發明介紹了一種不用摻雜，直接應用純金屬釩為原材料，通過反應磁控濺射和後退火技術製備低相變溫度二氧化釩的方法，簡化了傳統二氧化釩薄膜的製備工藝，在實際中有廣闊的應用前景。

發明內容
為了製備低相變溫度二氧化釩薄膜，本發明的目的在於提供一種工藝簡單的高質量低相變溫度的二氧化釩薄膜製備工藝，製備工藝採用反應磁控濺射技術和熱退火技術。磁控濺射是通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法，反應磁控濺射是在磁控濺射過程中以金屬為靶材通過通入活性氣體和濺射出的金屬原子反應製備化合物薄膜的方法。熱退火在薄膜沉積後，將薄膜樣品在一定的溫度和一定的氣氛下對薄膜樣品進行的改性處理。為了實現上述目的，本發明的技術方案具體為採用反應磁控濺射技術，以非摻雜的金屬釩為靶材，襯底為K9或其他類型玻璃，以高純氧氣和氬氣為反應氣體和濺射氣體。首先將真空室抽至I. O 8. OX KT4Pa本底真空，然後通入一定量的氧氣和氬氣，使氧分壓為6-12%，工作真空為O. 5Pa，在200-500° C襯底溫度下濺射V靶在襯底形成薄膜，濺射功率為120W，將沉積在襯底表面的膜冷卻到室溫，然後在400 600° C Ar氣氛下進行熱退火100-120分鐘，生成高質量低相變溫度的二氧化釩薄膜。發明的優點I、採用非摻雜的金屬釩為靶材，應用反應磁控濺射製備低相變溫度二氧化釩薄膜，省略了製備摻雜釩合金靶的複雜過程，簡化了工藝，降低了生產成本；2、製備過程中不涉及對環境有汙染的原材料；3、根據二氧化釩薄膜在不同應用中對相變溫度要求的不同，可以方便的通過氧分壓等工藝參數調節相變溫度；4、本發明在智能窗、傳感器等眾多的領域有廣泛應用前景。


·
圖I為本發明實施例I二氧化釩薄膜電學相變特性；圖2為本發明實施例2二氧化釩薄膜電學相變特性
具體實施例方式實施例I二氧化釩薄膜的製備是採用直流反應磁控濺射，用純度為99. 99%的V靶濺射，襯底採用BK7玻璃，經過去離子水和酒精分別超聲清洗5分鐘。薄膜濺射沉積製備時的本底真空為1.0X10_4Pa，工作真空O. 5Pa，沉積中直流電源功率為120W，以高純O2氣(99. 99%)和Ar氣(99. 99%)分別為反應氣體和濺射氣體，氧分壓為8%、襯底溫度為400° C (該襯底溫度在200-500° C可以調節)。將沉積在襯底表面的薄膜冷卻到室溫，然後在O. 5Pa Ar背景氣氛下進行熱退火生長成高質量的膜。退火溫度為500° C (退火溫度在400-600° C可以調節)，退火時間為120分鐘。所得製備二氧化釩薄膜樣品的電阻率-溫度關係見圖1，由圖可見，其相變溫度約為 41° C。實施例2與實施例I不同在於二氧化釩薄膜的製備是採用直流反應磁控濺射，用純度為99. 99%的V靶濺射，襯底採用BK7玻璃，經過去離子水和酒精分別超聲清洗5分鐘。薄膜濺射沉積時的本底真空為1.0父10、&，工作真空0.5 &。沉積中直流電源功率為120W，以高純02氣(99. 99%)和Ar氣(99. 99%)為反應氣體和濺射氣體，氧分壓為6%，襯底溫度為400° C。將沉積在襯底表面的薄膜冷卻到室溫；然後在O. 5Pa Ar背景氣氛下進行熱退火生長成高質量的膜。退火溫度為500° C，退火時間為120分鐘。所得製備二氧化釩薄膜樣品的電阻率-溫度關係見圖2，由圖可見，其相變溫度約為 37° C。本發明採用非摻雜的金屬釩為靶材，應用反應磁控濺射製備低相變溫度二氧化釩薄膜，省略了製備摻雜釩合金靶的複雜過程，簡化了工藝，降低了生產成本；製備過程中不涉及對環境有汙染的原材料；根據二氧化釩薄膜在不同應用中對相變溫度要求的不同，可以方便的通過氧分壓等工藝參數調節相變溫度；本發明在智能窗、傳感器等眾多的領域有廣泛應用前景。
權利要求
1.一種低相變溫度二氧化釩薄膜的製備工藝，其特徵在於，該製備工藝採用反應磁控濺射技術和熱退火技術，其中在反應磁控濺射技術中以非摻雜的金屬釩為靶材，襯底類型為玻璃、矽片或其他晶體材料，以高純O2氣和Ar氣為反應氣體和濺射氣體。
2.按照權利要求I所述的製備工藝，其特徵在於，所述工藝的具體步驟是首先將真空室抽至I. O 8. OX 10_4 Pa本底真空，然後通入一定量的O2氣和Ar氣的混合氣體，其中氧分壓為6-12%，工作真空為O. 5 Pa，在200-500 °C的襯底溫度下濺射V靶在襯底形成薄膜，濺射功率為100-140W，將沉積在襯底表面的膜冷卻到室溫，然後在40(T600 0C Ar氣氛下進行熱退火處理100-120分鐘，生成高質量低相變溫度的二氧化釩薄膜。
3.按照權利要求I所述的製備工藝，其特徵在於，採用傳統的反應磁控濺射技術來製備薄膜。
4.按照權利要求I所述的製備工藝，其特徵在於，所用靶材是非摻雜的高純釩靶。
5.按照權利要求4所述的製備工藝，其特徵在於，靶材的純度為99.99 %。
6.按照權利要求I所述的製備工藝，其特徵在於，製得的二氧化釩薄膜的相變溫度為36-420C 。
7.按照權利要求I所述的製備工藝，其特徵在於，所述熱退火技術中的退火溫度為500 C，退火時間為120分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種低相變溫度二氧化釩薄膜的製備工藝。具體為採用直流反應磁控濺射技術，以非摻雜的金屬釩為靶材，襯底為K9玻璃、矽片或其他類型材料，以高純氧氣和氬氣為反應氣體和濺射氣體。首先將真空室抽至1.0～8.0×10-4Pa本底真空，然後通入一定量的氧氣和氬氣，使氧分壓為(6-12％)，工作真空為0.5Pa，在一定襯底溫度下濺射V靶在襯底形成薄膜，濺射功率為100-140W，將沉積在襯底表面的膜冷卻到室溫，然後在400～600°C Ar氣氛下進行熱處理100-120分鐘，生成高質量低相變溫度的二氧化釩薄膜。該發明具有不摻雜、工藝簡單、二氧化釩薄膜相變溫度低、及相變點可調節的特點。
文檔編號C23C14/35GK102912308SQ20121041298
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者張東平, 黃仁桂, 範平, 梁廣興, 鄭壯豪, 羅景庭, 李巖 申請人:深圳大學