高透射率的釩基多層超晶格薄膜及其製備方法
2023-12-07 09:12:06
專利名稱：高透射率的釩基多層超晶格薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明屬於薄膜材料領域，具體涉及高透射率釩基多層超晶格薄膜及其製備方法。
背景技術：
VO2是一種熱致變色材料。隨著溫度的升高，二氧化釩由低溫半導體相轉變成高溫金屬相，晶體結構由低溫單斜結構向高溫金紅石結構轉變。伴隨著相變，其電阻率、折射率、透射率等諸多光電特性均會發生可逆突變，這些優越的性能使得薄膜在智能窗、光儲存、光電開光等領域都有極高的應用價值。為了提高二氧化釩的光學特性，可以摻雜一些其他元素，也可以複合一些化合物，提高它的化學穩定性，覆蓋在敏感材料上，起到保護膜層的作用，特別是可見光和近紅外光區透過率高。在介紹二氧化釩薄膜的70餘篇中國專利中，有少數介紹二氧化釩薄膜摻雜的，或者二氧化釩複合薄膜研究的。例如中國CN102241482A通過溼化學溶液法製備二氧化釩薄膜，再通過在溶膠一凝膠技術製備複合薄膜V02/Si02，V02/Zn0、V02/Zr02或者V02/Ti02。再如，中國專利CN101786798A介紹釩基多元鍍膜液和複合薄膜的製備及其應用，是通過旋塗法鍍膜來實現的。對於上述方法，儘管設備成本低，但是這些方法工藝時間長，不易控制；生長出得薄膜厚度難於控制；薄膜晶粒分布不均勻，表面不夠平整。這些缺點都對性能有很大影響，在大規模工業生產中，更要重視材料的性能要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種工藝時間短、適合於工業化生產，並且產物具有厚度可控、晶粒分布均勻、高透射率的釩基多層超晶格薄膜及其製備方法。實現本發明目的的技術方案為一種高透射率的釩基多層超晶格薄膜，所述的多層超晶格薄膜是在基片上交替沉積VO2薄膜和金屬氧化物薄膜，所述的金屬氧化物為Ti、w、Zn、Gr、Mo或Cu氧化物中的一種或幾種。上述超晶格薄膜採用脈衝雷射沉積法、雷射分子束外延法或磁控濺射法製備。其中，脈衝雷射沉積法或雷射分子束外延法具有相同的製備步驟，具體工藝包括以下步驟將基片和靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為300°C至700°C，氧分壓調節到10_5Pa到IO2Pa,隨後調節雷射器能量為10(T300mJ，頻率在5 IOHz ;先以釩為靶材濺射3_5分鐘，再以摻雜其它金屬Ti、W、Zn、Gr,Mo或Cu中的一種或幾種為靶材濺射3-5分鐘，交替沉積……;沉積完畢後在300°C至700°C間退火30-60分鐘得到多層超晶格薄膜。
本發明的釩基多層超晶格薄膜的製備方法中，在沉積超晶格薄膜之前預濺射Γ5分鐘。用磁控濺射法製備放入基片，調節流量，控制基片溫度為300°C至700°C，氣壓O. ΟΟΓδΟΡΒ, O2氣氛下，濺射功率為100W-1500W，先以釩為靶材濺射3-5分鐘，再以摻雜其它金屬Ti、W、Zn、Gr、Mo或Cu中的一種或幾種為靶材濺射3_5分鐘，交替沉積……;沉積完畢後在300°C至700°C間退火30-60分鐘得到多層超晶格薄膜。本發明的釩基多層超晶格薄膜的製備方法中，基片是SiO2或者A1203。通過上述薄膜生長方式所得到的釩基多層超晶格薄膜厚度在f800納米。本發明與現有技術相比，其顯著優點為(I)操作簡單，工藝時間短，便於控制，適宜於工業化生產；(2)生長的薄膜厚度能精確控制；(3)生長的薄膜表面平整，分布均勻；
(4)生長的薄膜透射率高，能更好的應用於智能窗、光儲存、光電開光等領域。
圖I為本發明實施例I的VO2薄膜變溫拉曼光譜圖。圖2為本發明實施例I的VO2薄膜和釩基多層超晶格薄膜的透射光譜圖。圖3為本發明實施例I的釩基多層超晶格薄膜的表面及斷面形貌圖。圖4為本發明實施例I的釩基多層超晶格薄膜的界面元素分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。本發明所得的薄膜通過拉曼光譜儀描繪薄膜的結構特徵如圖I ;通過場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面及斷面形貌如圖3 ;通過能量彌散X射線譜(EDS)觀察界面元素分布如圖4。通過分光光度計測試薄膜的透射率如圖2。實施例I :在SiO2襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。(I)採用脈衝雷射沉積法生長薄膜，具體生長條件是將SiO2基片和釩、鈦靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為30(TC，氧分壓調節到10_5Pa，隨後調節雷射器能量為100mJ，頻率在5Hz ;先以釩為靶材濺射3分鐘，再以摻雜金屬Ti為靶材濺射3分鐘，交替沉積……。沉積完畢後在300°C間退火30分鐘得到多層超晶格薄膜。對比例採用脈衝雷射沉積法生長純的VO2薄膜，具體生長條件是將SiO2基片和釩靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為300°C，氧分壓調節到10_5Pa，隨後調節雷射器能量為100，頻率在5 ;沉積超晶格薄膜之前預濺射3分鐘，沉積完畢後在30(TC間退火30分鐘。(I)採用拉曼光譜儀對製備出得VO2薄膜的結構特徵進行分析，得到如附圖I的變溫拉曼光譜圖。(2)通過能量彌散X射線譜(EDS)觀察釩基多層超晶格薄膜界面元素分布如附圖4所示，通過場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察釩基多層超晶格薄膜的表面及斷面形貌如附圖3所示。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為400nm。 (3)V02薄膜和釩基多層超晶格薄膜在絕緣相和金屬相的光學透射率曲線如附圖2所示。光的波長範圍是400-850nm的可見光波長。VO2薄膜和釩基多層超晶格薄膜相比，在絕緣相時對光的透射性能更好，在金屬相時光的透射率更低，在750nm波長下，釩基多層超晶格薄膜的絕緣相和金屬相透射率差值比VO2薄膜提高三倍。
實施例2 :在Al2O3襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用脈衝雷射沉積法生長薄膜，具體生長條件是將Al2O3基片和釩、鎢靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為50(TC，氧分壓調節到10_3Pa，隨後調節雷射器能量為200mJ，頻率在7Hz ;先以釩為靶材濺射4分鐘，再以摻雜金屬Ti為靶材濺射4分鐘，交替沉積……。沉積完畢後在500°C間退火50分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為500nm。其餘測試同實施例I。實施例3 :在SiO2襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用脈衝雷射沉積法生長薄膜，具體生長條件是將SiO2基片和釩、鈦、鎢靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為70(TC，氧分壓調節到10_2Pa，隨後調節雷射器能量為300mJ，頻率在IOHz ;先以釩為靶材濺射5分鐘，再以摻雜金屬Ti為靶材濺射5分鐘，再以摻雜金屬W為靶材濺射5分鐘，交替沉積……。沉積完畢後在700°C間退火60分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為800nm。其餘測試同實 施例I。實施例4 :在SiO2襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用雷射分子束外延法生長薄膜，具體生長條件是將SiO2基片和釩、鈦、銅靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為70(TC，氧分壓調節到10_2Pa，隨後調節雷射器能量為300mJ，頻率在IOHz ;先以釩為靶材濺射3分鐘，再以摻雜金屬Ti為靶材濺射3分鐘，再以摻雜金屬Cu為靶材濺射3分鐘，交替沉積……。沉積完畢後在700°C間退火60分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為600nm。其餘測試同實施例I。實施例5 :在Al2O3襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用磁控濺射法生長薄膜，放入Al2O3基片，調節流量，控制基片溫度為300°C，氣壓2Pa，O2氣氛下，濺射功率為500W，先以釩為靶材濺射3分鐘，再以摻雜金屬W為靶材濺射3分鐘，再以摻雜金屬Cu為靶材濺射3分鐘，交替沉積……;沉積完畢後在300°C退火30分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為600nm。其餘測試同實施例I。實施例6 :在Al2O3襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用磁控濺射法生長薄膜，放入基片，調節流量，控制基片溫度為500°C，氣壓IOPa, O2氣氛下，濺射功率為1000W，先以釩為靶材濺射4分鐘，再以摻雜金屬Mo為靶材濺射4分鐘，再以摻雜金屬Zn為靶材濺射4分鐘，交替沉積……;沉積完畢後在500°C間退火40分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為700nm。其餘測試同實施例I。實施例7 :在SiO2襯底上生長釩基多層超晶格薄膜。採用磁控濺射法生長薄膜，放入基片，調節流量，控制基片溫度為700°C，氣壓20Pa，O2氣氛下，濺射功率為1500W，先以釩為靶材濺射5分鐘，再以摻雜金屬Mo為靶材濺射5分鐘，再以摻雜金屬Gr為靶材濺射5分鐘，交替沉積……;沉積完畢後在700°C間退火60分鐘。生長出釩基多層超晶格薄膜厚度為800nm。其餘測試同實施例I。
權利要求
1.一種高透射率的釩基多層超晶格薄膜，其特徵在於所述的多層超晶格薄膜是在基片上交替沉積VO2薄膜和金屬氧化物薄膜，所述的金屬氧化物為Ti、W、Zn、Gr, Mo或Cu氧化物中的一種或幾種。
2.根據權利要求I所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜，其特徵在於所述的基片是SiO2 或者 A1203。
3.根據權利要求I所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜，其特徵在於所述的多層超晶格薄膜採用脈衝雷射沉積法、雷射分子束外延法或磁控濺射法製備。
4.一種高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於所述的製備方法為在基片上交替沉積VO2薄膜和金屬氧化物薄膜，所述的金屬氧化物為Ti、W、Zn、Gr、Mo或Cu氧化物中的一種或幾種。
5.根據權利要求4所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於所述的基片是SiO2或者ai2o3。
6.根據權利要求4所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於所述的製備方法包括脈衝雷射沉積法、雷射分子束外延法或磁控濺射法。
7.根據權利要求4或6所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於所述的脈衝雷射沉積法和雷射分子束外延法製備多層超晶格薄膜的具體工藝為將基片和靶材安裝如生長腔內，隨後利用機械泵和分子泵抽成真空，沉積前襯底溫度升至為300°C至700°C，氧分壓調節到KT5Pa到IO2Pa,隨後調節雷射器能量為10(T300mJ，頻率在5 IOHz ；先以釩為靶材濺射3-5分鐘，再以摻雜其它金屬Ti、W、Zn、Gr、Mo或Cu中的一種或幾種為靶材濺射3-5分鐘，交替沉積……；沉積完畢後在300°C至700°C間退火30-60分鐘得到多層超晶格薄膜。
8.根據權利要求7所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於在沉積超晶格薄膜之前預濺射3飛分鐘。
9.根據權利要求4或6所述的高透射率的釩基多層超晶格薄膜的製備方法，其特徵在於所述的磁控濺射法製備多層超晶格薄膜的具體工藝為放入基片，調節流量，控制基片溫度為300°C至700°C，氣壓0. 00Γ50Ρβ, O2氣氛下，濺射功率為100W-1500W，先以釩為靶材濺射3-5分鐘，再以摻雜其它金屬Ti、W、Zn、Gr、Mo或Cu中的一種或幾種為靶材濺射3_5分鐘，交替沉積……；沉積完畢後在300°C至700°C間退火30-60分鐘。
全文摘要
本發明涉及高透射率的釩基多層超晶格薄膜及其製備方法，屬於薄膜材料領域。所述的超晶格薄膜是在基片上交替沉積VO2薄膜上和金屬氧化物薄膜。本發明與現有技術相比，其顯著優點為(1)操作簡單，工藝時間短，便於控制，適宜於工業化生產；(2)生長的薄膜厚度能精確控制；(3)生長的薄膜表面平整，分布均勻；(4)生長的薄膜透射率高，能更好的應用於智能窗、光儲存、光電開光等領域。
文檔編號C23C14/35GK102634758SQ201210127760
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者何美金, 袁國亮, 邵思龍, 陳江鵬, 陳錢 申請人:南京理工大學