VO₂在68℃附近發(fā)生可逆一級金屬—絕緣體相變（MIT）,在相變區(qū)域伴隨著光吸收、折射率、電阻率、磁化率和比熱等物理性質(zhì)的改變。前期研究表明,VO₂薄膜具有電阻溫度變化系數(shù)（TCR）高且易于和現(xiàn)代半導體工藝兼容性好等特點,有望實現(xiàn)規(guī)�；瘧�。然而,VO₂薄膜相變溫度（68℃）低、TCR曲線迴滯大、對光波長的分辨能力差等缺點和不足,大大限制其在溫度探測器和熱紅外探測器中的應用。針對上述問題,本論文采用元素共摻雜策略,探究了鉻（Cr）和鈮（Nb）兩種金屬元素共摻雜對VO₂外延薄膜金屬—絕緣體相變特性的調(diào)控規(guī)律,研究了摻雜VO₂外延薄膜的微結(jié)構(gòu)、溫感和光感特性,并提出了光熱探測電路的設(shè)計方案,取得了如下研究成果:（1）VO₂薄膜微結(jié)構(gòu)及其金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變的摻雜和應變調(diào)控研究。采用磁控濺射技術(shù),制備了不同摻雜比例VO₂外延薄膜;利用XRD、RAMAN光譜、XPS等表征手段,研究了薄膜的晶體和電子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了Cr、Nb（共）摻雜不影響薄膜外延特... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學位級別】：碩士

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紅外探測器的分類Fig1.1Classificationofinfrareddetectors

第一章緒論3圖1.2（a）為相變前的單斜金紅石結(jié)構(gòu)，（b）為相變后的金紅石四方結(jié)構(gòu)Fig1.2(a)Showsthemonoclinicrutilestructurebeforethephasechange,and(b)showsthequadrilateralrutilestructureafterthephasechange由圖1.2可以看出，當溫度在相變溫度以下時，VO2由四方金紅石相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?VO2(M1)相)，在單斜相中V原子沿原來的c軸自發(fā)地發(fā)生二聚化現(xiàn)象，V-V原子鏈間距變?yōu)?.62和3.16，并且釩原子中的d軌道上的電子，都一一定位在了V-V鍵上，脫離了金屬原子共有的屬性，這導致VO2不再具有金屬的導電性而呈現(xiàn)出n型半導體性質(zhì)，V-V二聚導致VO2(R)相的c軸單胞加倍形成單斜晶系VO2(M1)相。在高溫時VO2為金紅石結(jié)構(gòu)(VO2(R)相)，其中V原子和O原子構(gòu)成V-O八面體，V原子沿著c軸方向等間距一一排列，且排列方式呈現(xiàn)線型(如圖1.2(a))，V-V原子間距為2.85；在高溫時VO2為四方金紅石結(jié)構(gòu)(VO2(R)相)，其中V原子和O原子構(gòu)成V-O八面體，V原子沿著c軸方向等間距線性排列，V-V原子間距為2.87，同時釩原子中的d電子也成為所有金屬原子所共有[22]。VO2在相變的過程中也伴隨著能帶結(jié)構(gòu)的改變。Goodenough在1972年提出了相變的能級理論[23]，這種理論是基于已有的晶體場理論和分子-軌道理論的基矗如圖1.3的示意圖可以看出，價帶σ和π的能帶主要由O的2p電子態(tài)占據(jù)，而V原子中的3d電子態(tài)占據(jù)了相應的導帶σ*和π*能帶。根據(jù)晶體場理論，VO2(R)相中V原子的3d電子在V-O八面體晶體場的作用下分裂為eg能級和t2g能級，其中eg能級較高，所以處于費米面以上。而t2g能級位于費米能級附近則是因為能級較低的緣故。另外可以看出，在t2g能級的基礎(chǔ)上又分裂d//態(tài)和π*態(tài)。當VO2發(fā)生相變時由等距的V-V原子鏈，變成二聚化的原子鏈，d//態(tài)將會分裂為全滿的成鍵態(tài)和空?

合肥工業(yè)大學專業(yè)碩士研究生學位論文4而使得π*能態(tài)能量升高，π*將遠離費米能級而成為空態(tài)。最終在d//態(tài)和t2g態(tài)之間產(chǎn)生帶隙，這就是從晶體場的能帶角度出發(fā)來看待VO2的MIT。由上分析可知，VO2相變的本質(zhì)就是在溫度升高或降低至相變溫度時，由于V4+離子的位置偏離，導致π*和d//軌道之間的位置產(chǎn)生變化，電子運動狀態(tài)改變，失去了連續(xù)性，進而呈現(xiàn)出金屬相向半導體相轉(zhuǎn)變的性質(zhì)[24]。圖1.3VO2金屬絕緣體轉(zhuǎn)變能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig1.3SchematicdiagramofbandtransitionstructureofVO2metalinsulator1.2.2二氧化釩的金屬—緣體相變特性二氧化釩在發(fā)生金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變后，其電學特性和光學特性都會發(fā)生劇烈的變化。1.2.2.1二氧化釩的光學特性二氧化釩金屬-絕緣體相變過程中，光學性能會發(fā)生顯著的劇烈變化[25][26]。其中表現(xiàn)最明顯的就是光學透過率會發(fā)生顯著變化。如圖1.3所示為VO2薄膜分別在90℃和20℃下的光學透過率曲線�？梢詮膱D中清楚地看到，不管是在高溫還是低溫狀態(tài)下，波長在300nm以下，也就是在紫外光波段，薄膜的光學透過率都是非常低的，幾乎不透光。這說明VO2對紫外光具有極大的阻隔性，在紫外光的防護等應用上有極大的前景。而在波長400nm-760nm的可見光波段，高溫下和低溫下薄膜的光透過率都是隨著波長增加而急速增加。且低溫段也就是相變前的半導體狀態(tài)下，可見光的透過率要略高于相變后的金屬態(tài)的透過率。這種在20℃左右的室溫段的低透過率的特點，可應用于窗戶玻璃以及汽車玻璃涂層，也就是我們常說的智能窗的應用上。而在近紅外光的波段，隨著波長的增加，低溫下半導體態(tài)的VO2薄膜的光透過率要明顯高于高溫下金屬態(tài)的透過率。且隨著波長的增長，

【參考文獻】：
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博士論文
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本文編號：3605753