一種增強(qiáng)二氧化釩薄膜相變性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，尤其涉及一種增強(qiáng)二氧化釩薄膜的相變性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]VO2是一種典型熱致相變材料，在68° C會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體態(tài)到金屬態(tài)可逆相變。相變前后，晶體結(jié)構(gòu)由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)等也明顯改變。且VO2具有熱致相變、光致相變、電致相變、力致相變等多種激勵(lì)方式，其相變溫度可以通過離子摻雜、應(yīng)力控制、微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)等方式進(jìn)行調(diào)控。因此，VO2可以被廣泛應(yīng)用于智能窗、非制冷微測(cè)熱輻射計(jì)、光開關(guān)、光存儲(chǔ)、激光防護(hù)等領(lǐng)域，是目前為止研究最多，應(yīng)用前景最廣泛的相變材料之一O
[0003]現(xiàn)有的技術(shù)中，制備二氧化釩常見的方法有溶膠-凝膠法、熱蒸發(fā)、磁控濺射、熱處理工藝。不同的工藝制備的二氧化釩，其電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性質(zhì)有很大差別，因此，二氧化釩薄膜相變特性也參差不齊。對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)來說，這會(huì)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的合格率產(chǎn)生很大的影響。為了提高二氧化釩薄膜的性能，人們?cè)谶M(jìn)行優(yōu)化沉積工藝的同時(shí)，也積極探索薄膜的后處理工藝，如退火，激光輻照等等。
[0004]本發(fā)明同樣為了提高二氧化釩薄膜的性能，進(jìn)行了深入研究。提出采用一定工藝的離子輻照，以提高其二氧化釩薄膜相變性能的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于通過等離子體輻照的方式來提高二氧化釩成品膜的相變特性。本發(fā)明相變性能提高效果明顯，且工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)。具體是采用等離子輻照來改善二氧化釩薄膜的相變特性，通過在不同條件下對(duì)二氧化釩薄膜進(jìn)行等離子體輻照處理，使二氧化釩薄膜的相變特性在不同程度上得到提高。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)二氧化釩薄膜相變性能的方法，包括以下步驟:
步驟一:二氧化釩薄膜性能表征:將采用物理或化學(xué)方法制備得到的二氧化釩薄膜進(jìn)行光電性能和微結(jié)構(gòu)表征，得到薄膜的化學(xué)計(jì)量比和微結(jié)構(gòu)信息；
步驟二:等離子體輻照:將上述制備得到的二氧化釩薄膜放入等離子體中進(jìn)行輻照，根據(jù)上述表征所得二氧化釩薄膜的化學(xué)計(jì)量比和微結(jié)構(gòu)信息，確定等離子體輻照工藝參數(shù)后，按照確定的工藝參數(shù)進(jìn)行等離子體輻照處理。
[0007]進(jìn)一步的，所述步驟二中確定等離子體福照工藝包括:(I)確定通入惰性氣體、或氧氣、或一定比例惰性氣體與氧氣混合氣體;(2)選擇和確定等離子體功率和等離子體輻照時(shí)間。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟二中，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比信息得到二氧化釩的含量，由此確定通入的氣體組成和比例。
[0009]優(yōu)選的，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比信息得到二氧化釩薄膜中V:0原子比；當(dāng)V:0原子比不符合預(yù)設(shè)比時(shí)，通入氣體采用氧氣、或一定比例惰性氣體與氧氣混合氣體、或純氬氣，使薄膜中v:o原子比接近預(yù)設(shè)比，進(jìn)而使得薄膜中二氧化釩的含量提高，增強(qiáng)二氧化釩薄膜的相變性能。
[0010]優(yōu)選的，所述二氧化釩薄膜中V:0原子比預(yù)設(shè)比為1:2。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟二中的微結(jié)構(gòu)信息為結(jié)晶狀態(tài)信息，根據(jù)結(jié)晶狀態(tài)確定等離子體功率；
優(yōu)選的，結(jié)晶狀態(tài)低，增加等離子體功率促使二氧化釩薄膜結(jié)晶，提高結(jié)晶狀態(tài)至要求結(jié)晶度。
[0012]進(jìn)一步的，根據(jù)通入氣體氧氣含量和等離子體功率確定輻照時(shí)間；
優(yōu)選的，所屬步驟二中等離子體輻照工藝是將制備好的VO2薄膜放入等離子中，抽真空至5Pa以下，通入通入惰性氣體、或氧氣、或惰性氣體與氧氣按10:4?9比例混合的混合氣體，在500w?650w的等離子體功率下，進(jìn)行等離子體福照處理10?15分鐘。
[0013]進(jìn)一步的，所述二氧化銀薄膜的制備方法包括步驟:
(I)清洗基底:分別用酒精溶液和去離子水作為溶劑，對(duì)基底進(jìn)行清洗，然后干燥待用；其中可使用超聲波清洗儀或人工對(duì)基底進(jìn)行清洗。
[0014](2) 二氧化釩薄膜沉積:采用物理或化學(xué)方法在清潔后的基底上沉積二氧化釩薄膜；
優(yōu)選的，所述步驟(2)中的二氧化釩薄膜沉積方法可采用直流磁控制備二氧化釩薄膜；包括如下步驟:采用直流反應(yīng)磁控派射技術(shù)，以高純金屬V單質(zhì)(99.99%)為革E材，惰性氣體充當(dāng)工作氣體，02(99.99%)充當(dāng)反應(yīng)氣體。本底真空為I X 10—3Pa,溫度保持在480°C通入惰性氣體(流量控制在40sccm)至工作氣壓0.5Pa，預(yù)濺射10分鐘后，通入氧氣(流量控制在1.6sccm),預(yù)濺射1分鐘后，保持功率在125W，濺射時(shí)間為30min，完成濺射后依次關(guān)擋板，關(guān)濺射電源，關(guān)氧氣和氬氣，自然降溫得到VO2薄膜。優(yōu)選的，采用AK99.99%)充當(dāng)工作氣體。
[0015]本發(fā)明通過等離子體輻照提高二氧化釩薄膜性能的原理是通過氧等離子體調(diào)節(jié)薄膜中氧和釩的原子比例，通過等離子體輻照轟擊調(diào)節(jié)薄膜中結(jié)晶度和應(yīng)力，這兩方面是影響二氧化釩薄膜相變性能的最重要兩方面。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)效果:
1、本發(fā)明通過等離子體輻照后二氧化釩薄膜相變性能得到明顯提高。
[0017]2、本發(fā)明采用等離子體輻照增強(qiáng)二氧化釩薄膜相變性能，相比退火等其他后處理方法，具有簡單易行、效率高和成本低廉的特點(diǎn)。
[0018]3、本發(fā)明適用于所有物理方法或化學(xué)方法制備的二氧化釩薄膜。
【附圖說明】
[0019]圖1氬氧比為100sccm/40sccm，功率為550W下等離子體輻照10分鐘前后VO2薄膜方阻的熱滯回線示意圖；
圖2氬氧比為100sccm/40sccm，功率為500W下等離子體輻照15分鐘前后VO2薄膜方阻的熱滯回線示意圖；
圖3氧流量為lOOsccm，功率為500W下等離子體輻照10分鐘前后VO2薄膜方阻的熱滯回線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明提供一種增強(qiáng)二氧化釩薄膜相變性能的方法，包括以下步驟:
步驟一:二氧化釩薄膜性能表征:對(duì)所制備的二氧化釩薄膜進(jìn)行光電性能和微結(jié)構(gòu)表征，得到薄膜的非化學(xué)計(jì)量比和微結(jié)構(gòu)信息。其中，所述二氧化釩薄膜的制備方法包括步驟:
(I)清洗基底:分別用酒精溶液和去離子水作為溶劑，對(duì)基底進(jìn)行清洗，然后干燥待用；其中可使用超聲波清洗儀或人工對(duì)基底進(jìn)行清洗。
[0021](2) 二氧化釩薄膜沉積:采用物理或化學(xué)方法在清潔后的基底上沉積二氧化釩薄膜。例如:二氧化釩薄膜沉積方法可采用直流磁控制備二氧化釩薄膜;包括如下步驟:采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，以高純金屬V單質(zhì)(99.99%)為靶材，惰性氣體充當(dāng)工作氣體，O2(99.99%)充當(dāng)反應(yīng)氣體。本底真空為I X 10—3Pa,溫度保持在480°C通入惰性氣體(流量控制在40sccm)至工作氣壓0.5Pa，預(yù)派射10分鐘后，通入氧氣(流量控制在1.6sccm)，預(yù)派射10分鐘后，保持功率在125W，濺射時(shí)間為30min，完成濺射后依次關(guān)擋板，關(guān)濺射電源，關(guān)氧氣和氬氣，自然降溫得到VO2薄膜。優(yōu)選的，采用AK99.99%)充當(dāng)工作氣體。
[0022]步驟二:等離子體輻照，將上述制備得到的二氧化釩薄膜放入等離子體中進(jìn)行輻照，根據(jù)上述表征所得二氧化釩薄膜的化學(xué)計(jì)量比和結(jié)晶狀態(tài)信息，確定等離子體輻照工藝參數(shù)后，按照確定的工藝參數(shù)進(jìn)行等離子體輻照處理。所述確定等離子體輻照工藝包括:
(I)確定通入惰性氣體、或氧氣、或一定比例惰性氣體與氧氣混合氣體;(2)選擇和確定等離子體功率和等離子體輻照時(shí)間。具體的，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比信息，確定通入的氣體組成和比例。具體的是，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比信息得到二氧化釩薄膜中V:0原子比；當(dāng)V:0原子比不符合預(yù)設(shè)比1:2時(shí)，通入氣體采用氧氣、或一定比例惰性氣體與氧氣混合氣體、或純氬氣，使薄膜中V:0原子比接近預(yù)設(shè)比，進(jìn)而使得薄膜中二氧化釩的含量提高，增強(qiáng)二氧化釩薄膜的相變性能。如得到二氧化釩薄膜V:0原子比中含氧比例低于1:2時(shí)，通入氣體采用氧氣、或一定比例惰性氣體與氧氣混合氣體，使化學(xué)計(jì)量比接近或達(dá)到預(yù)設(shè)定比例值V:0原子比=1:2，進(jìn)而使得薄膜中二氧化釩的含量提高，增強(qiáng)二氧化釩薄膜的相變性能。另一個(gè)實(shí)施例為，可根據(jù)透射率等得到化學(xué)計(jì)量比信息；如透射率低，則薄膜低于期望的化學(xué)計(jì)量比，低價(jià)釩氧化物多，應(yīng)加入一定比例的氧等離子體，以提高二氧化釩含量。(由于釩有很多種價(jià)態(tài)的氧化物，一般所制備的薄膜均不是純的二氧化釩，含有其他價(jià)態(tài)釩氧化物，因此需要提高二氧化釩的含量，以增強(qiáng)二氧化釩薄膜的相變性能。)另一方面，一般結(jié)晶良好的二氧化釩薄膜，其相變性能較好。而根據(jù)薄膜結(jié)晶度信息確定等離子體功率;當(dāng)結(jié)晶度低時(shí)，增加等離子體功率功率和能量促使其結(jié)晶，提高薄膜結(jié)晶度(如生成單晶)；最后根據(jù)通入氣體氧氣含量和等離子體功率確定輻照時(shí)間。另一個(gè)實(shí)施例為，當(dāng)通入氣體為氧氣或惰性氣體與氧氣的混合氣體時(shí)，則根據(jù)氧氣含量比例作為確定輻照時(shí)間的因素;氧氣含量的多少和等離子體功率的大小與輻照時(shí)間成反比例。
[0023]另一個(gè)實(shí)施例為，等離子體輻照工藝是將制備好的VO2薄膜放入等離子中，抽真空至5 Pa以下，通入惰性氣體、或氧氣、或惰性氣體與氧氣按1: 4?9比例混合的混合氣體，在500w?650w的等離