本文主要研究内容
作者姬春晖（2019）在《氧化钒基薄膜相变性能调控与应用研究》一文中研究指出：二氧化钒（VO2）作为一种具有相变特性的功能材料,在68℃附近可发生由高温四方金属相（R）到低温单斜绝缘体相（M1）的可逆相变,相变前后伴随着光学、电学和磁学等物理性质的突变,因而在智能窗、开关调制、记忆存储、场效应晶体管以及光电器件等诸多领域存在巨大的应用价值。然而,VO2的大规模器件应用需要解决的问题还有很多,例如:在简单条件下制备高性能纯相的VO2薄膜,根据具体的应用领域针对性地调控VO2薄膜的物性等。针对以上问题,本论文以反应磁控溅射法沉积的VO2薄膜为基础,采取掺杂改性、缓冲层辅助等方法调控其金属-绝缘体相变（Metal-Insulator transition,MIT）性能使之适宜应用在智能窗或者太赫兹调制等领域。另外,借助于多种材料表征手段,对薄膜微结构和状态进行了深入而系统的研究,同时就这些微观变化对MIT相变性能的影响展开了广泛的讨论。主要内容归纳如下:1.针对智能窗应用中VO2薄膜存在的本征相变温度过高、可见光透过率低和太阳光调制效率不高等问题,提出选取低价元素铝Al掺杂VO2薄膜来改善其相关性能。不同于之前的报道,本论文的结果表明Al掺杂VO2薄膜的相变温度可以明显降低到44.9℃,同时可见光透过率从47.5%提高到48.9%,太阳光调制效率会从6.6%提升到7.6%。这些性能的共同改善表明Al掺杂VO2薄膜在智能窗上有着巨大的应用潜力。其中,可见光透过率的提高可归因于薄膜的光学带隙宽化（从1.75eV扩大到1.96eV）,太阳光调制效率的提升对应于薄膜在近红外区域高低温透过率差的改善。另一方面,相变温度的降低则来源于Al掺杂VO2薄膜奇特的表面形貌,即出现了纳米线团簇和多边形颗粒。另外,Al掺杂VO2薄膜的性能在经历多次加热和冷却循环以后基本保持不变,证实了其具有良好的环境稳定性。最后,通过研究不同衬底上的Al掺杂VO2薄膜,分析认为玻璃衬底和VO2晶体之间的界面作用是形成特殊形状颗粒的原因。2.根据太赫兹（THz）调制应用需要VO2薄膜具有窄的回线宽度和大的THz透过率变化的要求,采用将高价金属离子(钨离子W6+或铌离子Nb5+)掺杂到硅基多晶VO2薄膜中,实现了较窄的回线宽度和低的相变温度,同时保持了很高的THz调制深度。具体来说,6.5%Nb掺杂的VO2薄膜中,回线宽度为4.8℃,相变温度为31.1℃,THz调制深度为85.9%;1.6%W掺杂的VO2薄膜中,回线宽度为7.8℃,相变温度为45.7℃,THz调制深度为83.2%,非常适合于太赫兹调制应用。进一步分析认为Nb和W元素较大的离子半径和高价态（>+4价）是相变温度降低的关键因素。掺杂增加缺陷成核位浓度使金属-绝缘体相变过程更容易发生进而减小回线宽度,相似尺寸的颗粒也会带来回线宽度的减小。此外,研究认为在Nb和W掺杂薄膜中THz调制能力与相变温度之间的良好平衡是由于薄膜的高结晶度。适当的退火处理可以消除薄膜中大多数点缺陷,减轻晶格畸变,提高结晶度,从而使掺杂VO2薄膜能够维持优异的MIT性能。这一结果为VO2体系中最优化掺杂效应提供一种新的研究思路。3.首先利用铬元素（Cr）掺杂诱导生成了在室温下稳定存在的M2相VO2薄膜。利用拉曼光谱和X射线衍射图谱证实了Cr掺杂VO2薄膜中M2相结构的存在。研究发现:相比于常见的M1相VO2,M2相结构的VO2薄膜可以通过抑制材料的红外-活化声子模式来明显增强声子吸收峰频率上的调制幅度。在8.25THz上调制幅度从29.6%提高到39.0%,在9.33THz上调制幅度从24.1%提高到37.1%,这些提高非常有助于高频THz波段VO2基器件的研制。另外,M2相VO2薄膜表现出优异的MIT相变特性参数,即窄的回线宽度（8℃）和非常小的相变斜率（3.4℃）。这些优于未掺杂VO2薄膜的相变性能来源于有效成核点浓度的增加和晶体结构从M1相转变为M2相。4.采用磁控溅射法在衬底和VO2薄膜中间添加一层简单易得的低价钒缓冲层,实现了在低温条件（衬底温度160℃、退火温度320℃）下制备高质量纯相的VO2薄膜。其中,低价钒缓冲层是利用金属钒靶在较低氧气分压下反应溅射得到。通过对比研究不同成分的低价钒缓冲层对VO2复合薄膜性能的影响,发现低价钒层首先可以减少VO2与衬底蓝宝石（Al2O3）之间的晶格失配程度,其次预先沉积低价钒层中的优质晶核可以充当后续的薄膜中晶体生长的核心,使其生长,最终降低结晶温度。同时,选取了效果最好的低价钒缓冲层条件,在此基础上通过优化低价钒缓冲层的厚度,获得了电学性能非常优异的VO2复合薄膜,其中相变幅度接近4个数量级,回线宽度小于5℃。
Abstract
er yang hua fan （VO2）zuo wei yi chong ju you xiang bian te xing de gong neng cai liao ,zai 68℃fu jin ke fa sheng you gao wen si fang jin shu xiang （R）dao di wen chan xie jue yuan ti xiang （M1）de ke ni xiang bian ,xiang bian qian hou ban sui zhao guang xue 、dian xue he ci xue deng wu li xing zhi de tu bian ,yin er zai zhi neng chuang 、kai guan diao zhi 、ji yi cun chu 、chang xiao ying jing ti guan yi ji guang dian qi jian deng zhu duo ling yu cun zai ju da de ying yong jia zhi 。ran er ,VO2de da gui mo qi jian ying yong xu yao jie jue de wen ti hai you hen duo ,li ru :zai jian chan tiao jian xia zhi bei gao xing neng chun xiang de VO2bao mo ,gen ju ju ti de ying yong ling yu zhen dui xing de diao kong VO2bao mo de wu xing deng 。zhen dui yi shang wen ti ,ben lun wen yi fan ying ci kong jian she fa chen ji de VO2bao mo wei ji chu ,cai qu can za gai xing 、huan chong ceng fu zhu deng fang fa diao kong ji jin shu -jue yuan ti xiang bian （Metal-Insulator transition,MIT）xing neng shi zhi kuo yi ying yong zai zhi neng chuang huo zhe tai he ci diao zhi deng ling yu 。ling wai ,jie zhu yu duo chong cai liao biao zheng shou duan ,dui bao mo wei jie gou he zhuang tai jin hang le shen ru er ji tong de yan jiu ,tong shi jiu zhe xie wei guan bian hua dui MITxiang bian xing neng de ying xiang zhan kai le an fan de tao lun 。zhu yao nei rong gui na ru xia :1.zhen dui zhi neng chuang ying yong zhong VO2bao mo cun zai de ben zheng xiang bian wen du guo gao 、ke jian guang tou guo lv di he tai yang guang diao zhi xiao lv bu gao deng wen ti ,di chu shua qu di jia yuan su lv Alcan za VO2bao mo lai gai shan ji xiang guan xing neng 。bu tong yu zhi qian de bao dao ,ben lun wen de jie guo biao ming Alcan za VO2bao mo de xiang bian wen du ke yi ming xian jiang di dao 44.9℃,tong shi ke jian guang tou guo lv cong 47.5%di gao dao 48.9%,tai yang guang diao zhi xiao lv hui cong 6.6%di sheng dao 7.6%。zhe xie xing neng de gong tong gai shan biao ming Alcan za VO2bao mo zai zhi neng chuang shang you zhao ju da de ying yong qian li 。ji zhong ,ke jian guang tou guo lv de di gao ke gui yin yu bao mo de guang xue dai xi kuan hua （cong 1.75eVkuo da dao 1.96eV）,tai yang guang diao zhi xiao lv de di sheng dui ying yu bao mo zai jin gong wai ou yu gao di wen tou guo lv cha de gai shan 。ling yi fang mian ,xiang bian wen du de jiang di ze lai yuan yu Alcan za VO2bao mo ji te de biao mian xing mao ,ji chu xian le na mi xian tuan cu he duo bian xing ke li 。ling wai ,Alcan za VO2bao mo de xing neng zai jing li duo ci jia re he leng que xun huan yi hou ji ben bao chi bu bian ,zheng shi le ji ju you liang hao de huan jing wen ding xing 。zui hou ,tong guo yan jiu bu tong chen de shang de Alcan za VO2bao mo ,fen xi ren wei bo li chen de he VO2jing ti zhi jian de jie mian zuo yong shi xing cheng te shu xing zhuang ke li de yuan yin 。2.gen ju tai he ci （THz）diao zhi ying yong xu yao VO2bao mo ju you zhai de hui xian kuan du he da de THztou guo lv bian hua de yao qiu ,cai yong jiang gao jia jin shu li zi (wu li zi W6+huo ni li zi Nb5+)can za dao gui ji duo jing VO2bao mo zhong ,shi xian le jiao zhai de hui xian kuan du he di de xiang bian wen du ,tong shi bao chi le hen gao de THzdiao zhi shen du 。ju ti lai shui ,6.5%Nbcan za de VO2bao mo zhong ,hui xian kuan du wei 4.8℃,xiang bian wen du wei 31.1℃,THzdiao zhi shen du wei 85.9%;1.6%Wcan za de VO2bao mo zhong ,hui xian kuan du wei 7.8℃,xiang bian wen du wei 45.7℃,THzdiao zhi shen du wei 83.2%,fei chang kuo ge yu tai he ci diao zhi ying yong 。jin yi bu fen xi ren wei Nbhe Wyuan su jiao da de li zi ban jing he gao jia tai （>+4jia ）shi xiang bian wen du jiang di de guan jian yin su 。can za zeng jia que xian cheng he wei nong du shi jin shu -jue yuan ti xiang bian guo cheng geng rong yi fa sheng jin er jian xiao hui xian kuan du ,xiang shi che cun de ke li ye hui dai lai hui xian kuan du de jian xiao 。ci wai ,yan jiu ren wei zai Nbhe Wcan za bao mo zhong THzdiao zhi neng li yu xiang bian wen du zhi jian de liang hao ping heng shi you yu bao mo de gao jie jing du 。kuo dang de tui huo chu li ke yi xiao chu bao mo zhong da duo shu dian que xian ,jian qing jing ge ji bian ,di gao jie jing du ,cong er shi can za VO2bao mo neng gou wei chi you yi de MITxing neng 。zhe yi jie guo wei VO2ti ji zhong zui you hua can za xiao ying di gong yi chong xin de yan jiu sai lu 。3.shou xian li yong ge yuan su （Cr）can za you dao sheng cheng le zai shi wen xia wen ding cun zai de M2xiang VO2bao mo 。li yong la man guang pu he Xshe xian yan she tu pu zheng shi le Crcan za VO2bao mo zhong M2xiang jie gou de cun zai 。yan jiu fa xian :xiang bi yu chang jian de M1xiang VO2,M2xiang jie gou de VO2bao mo ke yi tong guo yi zhi cai liao de gong wai -huo hua sheng zi mo shi lai ming xian zeng jiang sheng zi xi shou feng pin lv shang de diao zhi fu du 。zai 8.25THzshang diao zhi fu du cong 29.6%di gao dao 39.0%,zai 9.33THzshang diao zhi fu du cong 24.1%di gao dao 37.1%,zhe xie di gao fei chang you zhu yu gao pin THzbo duan VO2ji qi jian de yan zhi 。ling wai ,M2xiang VO2bao mo biao xian chu you yi de MITxiang bian te xing can shu ,ji zhai de hui xian kuan du （8℃）he fei chang xiao de xiang bian xie lv （3.4℃）。zhe xie you yu wei can za VO2bao mo de xiang bian xing neng lai yuan yu you xiao cheng he dian nong du de zeng jia he jing ti jie gou cong M1xiang zhuai bian wei M2xiang 。4.cai yong ci kong jian she fa zai chen de he VO2bao mo zhong jian tian jia yi ceng jian chan yi de de di jia fan huan chong ceng ,shi xian le zai di wen tiao jian （chen de wen du 160℃、tui huo wen du 320℃）xia zhi bei gao zhi liang chun xiang de VO2bao mo 。ji zhong ,di jia fan huan chong ceng shi li yong jin shu fan ba zai jiao di yang qi fen ya xia fan ying jian she de dao 。tong guo dui bi yan jiu bu tong cheng fen de di jia fan huan chong ceng dui VO2fu ge bao mo xing neng de ying xiang ,fa xian di jia fan ceng shou xian ke yi jian shao VO2yu chen de lan bao dan （Al2O3）zhi jian de jing ge shi pei cheng du ,ji ci yu xian chen ji di jia fan ceng zhong de you zhi jing he ke yi chong dang hou xu de bao mo zhong jing ti sheng chang de he xin ,shi ji sheng chang ,zui zhong jiang di jie jing wen du 。tong shi ,shua qu le xiao guo zui hao de di jia fan huan chong ceng tiao jian ,zai ci ji chu shang tong guo you hua di jia fan huan chong ceng de hou du ,huo de le dian xue xing neng fei chang you yi de VO2fu ge bao mo ,ji zhong xiang bian fu du jie jin 4ge shu liang ji ,hui xian kuan du xiao yu 5℃。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自电子科技大学的姬春晖，发表于刊物电子科技大学2019-07-17论文，是一篇关于二氧化钒薄膜论文,智能窗论文,太赫兹调制论文,掺杂改性论文,缓冲层论文,电子科技大学2019-07-17论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自电子科技大学2019-07-17论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：二氧化钒薄膜论文; 智能窗论文; 太赫兹调制论文; 掺杂改性论文; 缓冲层论文; 电子科技大学2019-07-17论文;