纳米二氧化钒薄膜的电学与光学相变特性

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。在热驱动方式下,分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。实验结果表明,电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差,电学相变温度为63 ℃,高于光学相变温度,60 ℃;电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽;在红外光波段,随着波长的增加,纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大,由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高,相变持续的温度宽度变窄。在红外光波段,纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控,电学相变特性更适合表征纳米VO₂薄膜的半导体-金属相变特性。     

二氧化钒薄膜的光学特性及应用前景

本文着重介绍二氧化钒（ＶＯ２）薄膜的性质，相变原理，若干制备工艺对ＶＯ２薄膜相变特性的影响并给出ＶＯ２薄膜的应用方向。     

VO2薄膜对TEACO2激光响应特性的实验研究

报道了ＶＯ２薄膜在ＴＥＡＣＯ２激光照射下的相变特性的实验研究，结果表明：对于本文镀制的ＶＯ２薄膜，在偏置温度为５２℃条件下，ＴＥＡＣＯ２激光入射能量密度为１５０ｍＪ／ｃｍ＾２时，可使ＶＯ２薄膜发生相变，响应时间，５０ｎｓ，恢复时间≈２００μｓ。     

相变前后VO2薄膜光学性质的研究

测量了玻璃、熔融石英及蓝宝石衬底上VO2 薄膜变温过程的红外透过率谱 ,对样品相变前后的光学性质进行了研究。特定温度下VO2 薄膜发生相变 ,其光学性质随之发生突变。不同衬底、不同制作工艺影响相变发生的温度以及相变前后光学性质的变化量。蓝宝石衬底上磁控溅射所得的VO2 膜 5 μm处透过率的减小量ΔT为 70 % ,相对变化ΔT TRT为 94 % ,玻璃衬底上磁控溅射所得的VO2 膜 2 5 μm处ΔT =6 4 2 % ,而ΔT TRT高达 98% ,接近于 1。     

溶剂处理对Pr4VOPc染料掺杂聚合物薄膜光谱的影响

制备了Ｐｒ４ＶＯＰｃ染料掺掺杂的聚合物ＰＭＭＡ（ＤＩＰ）薄膜。Ｐｒ４ＶＯＰｃ在染料掺杂聚合物薄膜形成阶段形成玻璃态Ⅰ，经有机溶剂蒸汽处理后，Ｐｒ４ＶＯＰｃ形成了热力学更稳定的相Ⅱ。     

金属Pt薄膜上二氧化钒的制备及其电致相变性能研究

通过引入SiO₂氧化物缓冲层, 在金属Pt电极上利用射频磁控溅射技术成功制备出高质量的VO₂薄膜. 详细研究了SiO₂厚度对VO₂薄膜的晶体结构、微观形貌和绝缘体–金属相变(MIT)性能的影响. 结果表明厚度0.2 μm以上的SiO₂缓冲层能够有效 消除VO₂薄膜与金属薄膜之间的巨大应力, 制备出具有明显相变特性的VO₂薄膜. 当缓冲层达到0.7 μm以上, 获得的薄膜具有明显的(011)晶面择优取向, 表面平整致密, 相变前后电阻率变化达到3个数量级以上. 基于该技术制备了Pt-SiO₂/VO₂-Au三明治结构, 通过在垂直膜面方向施加很小的驱动电压, 观察到明显的阶梯电流跳跃, 证实实现了电致绝缘体–金属相变过程. 该薄膜制备工艺简单, 性能稳定, 器件结构灵活可应用于集成式电控功能器件. 关键词： 二氧化钒薄膜 相变特性 电致相变 阈值电压     

硅基二氧化钒相变薄膜电学特性研究

本文以原子层沉积超薄氧化铝(Al₂ O₃)为过渡层, 采用射频反应磁控溅射法在硅半导体基片上制备了颗粒致密并具有(011)择优取向的二氧化钒(VO₂)薄膜. 该薄膜具有显著的绝缘体–金属相变特性, 相变电阻变化超过3 个数量级, 热滞回线宽度约为6℃. 基于VO₂薄膜构建了平面二端器件并测试了不同温度下I-V曲线, 观测到超过2个数量级的电流跃迁幅度, 显示了优越的电致相变特性. 室温下电致相变阈值电压为8.6 V, 电致相变弛豫电压宽度约0.1 V. 随着温度升高到60℃, 其电致相变所需要的阈值电压减小到2.7 V. 本实验制备的VO₂薄膜在光电存储、开关、太赫兹调控器件中具有广泛的应用价值.     

VO2金属-绝缘体相变机理的研究进展

VO₂是一种热致相变金属氧化物. 在341 K附近, VO₂发生由低温绝缘体相到高温金属相的可逆转变, 同时伴随着光学、电学和磁学等性质的可逆突变, 这种独特的性质使得VO₂在光电开关材料、智能玻璃、存储介质材料等领域有着广阔的应用前景. 因此, VO₂金属-绝缘体可逆相变一直是人们的研究热点, 但其相变机理至今未有定论. 首先, 简要概述了VO₂相变时晶体结构和能带结构的变化情况: 从晶体结构来讲, 相变前后VO₂从低温时的单斜相VO₂(M)转变为高温稳定的金红石相VO₂(R), 在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO₂(B)与四方相VO₂(A)的产生; 从能带结构来看, VO₂处于低温单斜相时, 其d_//能带和π^*能带之间存在一个禁带, 带宽约为0.7 eV, 费米能级恰好落在禁带之间, 表现出绝缘性, 而在高温金红石相时, 其费米能级落在π^*能带与d_//能带之间的重叠部分, 因此表现出金属导电性. 其次, 着重总结了VO₂相变物理机理的研究现状. 主要包括: 电子关联驱动相变、结构驱动相变以及电子关联和结构共同驱动相变的3种理论体系以及支撑这些理论体系的实验结果. 文献报道争论的焦点在于, VO₂是否是Mott绝缘体以及结构相变与MIT相变是否精确同时发生. 最后, 展望了VO₂材料研究的发展方向.     

VO2纳米粒子填充型聚合物薄膜电致相变特性

采用简单的水热法结合热处理工艺,制备了高纯、形貌可控的纳米V0₂ (M)颗粒,得到了退火时间对颗粒形貌的影响,首次揭示了VO₂聚乙二醇复合薄膜电致相变过程,建立了电致相变模型.实验以V₂O₅和H₂C₂O₄·2H₂O为原料,经180℃,12 h水热处理后,得到V0₂ (B)纳米颗粒,真空退火转化为V0₂ (M).结果表明,退火时间越长,纳米颗粒长度越短.多次重复测试发现,复合薄膜在电场作用下,均能够发生显著的相变现象,但同一样品的重复相变电压低于第1次测试数据.在首次测试后,相变电压和非线性系数随纳米VO₂的长度减小而指数增加,同时发现材料两端电压在相变后可维持在10 V附近.分析认为,复合薄膜的相变电压和非线性系数由颗粒内势垒和界面间势垒共同决定.首次伏安测试降低了颗粒间势垒,造成了材料的"激活"现象,纳米颗粒平均长度越短,导电通道中的界面间势垒越...     

纳秒激光作用下二氧化钒薄膜相变特性

采用脉冲激光沉积法制备了VO2薄膜,应用X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明样品为多晶薄膜。采用泵浦-探针方法研究了二氧化钒薄膜的相变特性,实验结果表明当激光重复频率为160 Hz时,样品最小相变响应为12 ns,相变恢复时间与激光能量按照自然指数关系变化。仿真结果表明当激光能量一定时,二氧化钒薄膜相变恢复时间与衬底材料的热导率、热扩散系数有关。     

GaN结构相变、电子结构和光学性质

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法,对纤锌矿结构和氯化钠结构GaN的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究,分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机制.通过状态方程和焓相等原理得到GaN从纤锌矿到氯化钠结构的相变压强分别为43.9 Gpa和46.0 Gpa;在相变的过程中,GaN由典型的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体材料;氯化钠结构GaN相比于纤锌矿结构,介电函数主峰值增强,本征吸收边明显往高能方向移动,氯化钠结构GaN在低能区域的光学性质差于纤锌矿结构.     

高压下铌铁矿相TiO2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO2的金红石相、铌铁矿相、萤石相、黄铁矿相和四方P42/nmc相进行了计算。首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现了在50.1GPa压强下,铌铁矿相突然直接转变成一个新的四方P42/nmc相。其次,通过GGA+U和HSE06两种方法计算讨论了四方P42/nmc相的能带结构,并拟合分析了三阶B-M状态方程和XRD图谱。最后,通过分析相变压强范围、体弹模量和XRD图谱,本文认为四方P42/nmc相与立方萤石相是共存的,能很好符合2004年立方TiO2的实验结果。     

高压下铌铁矿相TiO_2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO_2的金红石相、铌铁矿相、萤石相、黄铁矿相和四方P42/nmc相进行了计算.首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现了在50.1GPa压强下,铌铁矿相突然直接转变成一个新的四方P42/nmc相.其次,通过GGA+U和HSE06两种方法计算讨论了四方P42/nmc相的能带结构,并拟合分析了三阶B-M状态方程和XRD图谱.最后,通过分析相变压强范围、体弹模量和XRD图谱,本文认为四方P42/nmc相与立方萤石相是共存的,能很好符合2004年立方TiO_2的实验结果 .     

高压下铌铁矿相TiO2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO2的金红石相、铌铁矿相、萤石相、黄铁矿相和四方P42/nmc相进行了计算。首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现了在50.1GPa压强下,铌铁矿相突然直接转变成一个新的四方P42/nmc相。其次,通过GGA+U和HSE06两种方法计算讨论了四方P42/nmc相的能带结构,并拟合分析了三阶B-M状态方程和XRD图谱。最后,通过分析相变压强范围、体弹模量和XRD图谱,本文认为四方P42/nmc相与立方萤石相是共存的,能很好符合2004年立方TiO2的实验结果。     

二氧化钒的电子结构及光学性质计算

本文使用基于量子力学第一性原理的CASTEP程序包,计算了单斜结构和金红石结构的二氧化钒(VO2)的电子结构、介电常数、吸收系数、折射率等光学性质。介电函数的虚部、吸收光谱、折射率等它们的峰值位置存在一一对应关系,这表明了它们之间存在着内在的联系,它们都与电子从价带到导带的跃迁吸收有关,这为从物理本质上理解二氧化钒的光学性质提供了重要的依据。计算结果与实验结果符合得很好。     

Phase Transition VO2 Thin Films for Optical Switches

This paper presents a method to make vanadium dioxide (VO₂) crystallites on silicon substrates by reactive ion beam sputtering. The thickness of the thin film is about 100nm. The phase transition temperature of VO₂ is 65°C. The transmittance of the semiconducting phase VO₂ is about 50% and it is reduced to as low as 3% in metal phase at the infrared wavelenghth spectrum. The extinction ratio of the optical switches is 12dB. and the insertion loss is of 1-2dB. The switching time is about 1ms.     

低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究

采用射频磁控溅射镀膜系统,在玻璃衬底上制备了非晶硅(α-Si)/铝(Al)复合薄膜,结合氮气(N₂)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(nc-Si)薄膜;利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明： 300 ℃,25 min光热退火可使α-Si/Al膜晶化为纳米晶硅薄膜,晶化率为15.56%,晶粒尺寸为1.75 nm;退火温度从300 ℃逐渐升高到400 ℃,纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加,表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小;退火温度从400 ℃逐渐升高到500 ℃,纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加,带隙则逐渐降低;采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性,其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。