熱致相變材料在能量儲備、光電開關(guān)器件和智能涂層等方面具有很大的應(yīng)用前景。接近室溫的相變轉(zhuǎn)換溫度（68℃）使得VO₂在眾多的相變材料中引起廣泛關(guān)注。在絕緣-金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中,VO₂會發(fā)生單斜相過渡為四方金紅石相,并導(dǎo)致其電學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能產(chǎn)生劇烈的變化。VO₂的相變特性與其薄膜的質(zhì)量緊密相關(guān),特別是其表面的連續(xù)性和完整性對于相變前后電阻的變化幅度起著重要作用。與此同時,襯底所具備較高的熱導(dǎo)率以及與薄膜之間良好的晶格匹配關(guān)系都將有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。SiC作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體,因其自身的多晶型、高硬度、高熱穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率和高擊穿電場等優(yōu)異特性,具有廣泛的應(yīng)用前景,并被認(rèn)為是下一個取代硅的重要半導(dǎo)體材料。同時發(fā)現(xiàn),多種晶型的SiC與VO₂薄膜展出較好的晶格匹配。因此,可嘗試將SiC材料作為外延生長VO₂薄膜非常有效的襯底。此外,碳化硅的另一個特點(diǎn)是可通過在超高真空環(huán)境下高溫退火外延生長石墨烯,而石墨烯獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)以及對可見光近乎全透過的光學(xué)性質(zhì)使得其成為一種極具應(yīng)用... 

【文章來源】：淮北師范大學(xué)安徽省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)和(b)分別是四方金紅石相和單斜M1相的VO2晶體結(jié)構(gòu)

淮北師范大學(xué)2020屆碩士學(xué)位論文基于碳化硅襯底的二氧化釩薄膜的生長及相變性能研究3相變是由電子間的強(qiáng)相互作用而造成的。溫度升高使得VO2中V-V對電子間關(guān)聯(lián)作用減弱，進(jìn)而導(dǎo)致V-V鍵斷裂，VO2內(nèi)載流子增多觸發(fā)熱致相變。對于Mott相變機(jī)制的解釋，也有很多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供驗(yàn)證。如IBM阿爾瑪?shù)茄芯恐行耐ㄟ^改變RuO2緩沖層的厚度來產(chǎn)生不同的晶面應(yīng)力，從而使得VO2(001)薄膜的絕緣-金屬體轉(zhuǎn)變溫度由12℃連續(xù)變化到72℃。[24]該團(tuán)隊(duì)使用X射線吸收光譜并結(jié)合X射線衍射和電子傳輸測量實(shí)驗(yàn)樣品，發(fā)現(xiàn)相轉(zhuǎn)變溫度和整個轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)變形取決于金屬態(tài)下的d|軌道占有率，進(jìn)而佐證了Mott相變對于VO2相變的解釋。如圖1.2[25]所示，JaewooJeong等人通過電場誘導(dǎo)產(chǎn)生氧空位從而抑制金屬到絕緣體的轉(zhuǎn)變,隨著門控電壓的持續(xù)升高，促使VO2外延薄膜的金屬相穩(wěn)定在5K以下。此外，通過光載流子注入,[26]熱電子注入[27]等也能夠通過Mott相變解釋VO2的金屬絕緣相變行為。圖1.2通過電解液門控抑制金屬到絕緣體的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而降低相變溫度。[25]1.1.3二氧化釩的相變特點(diǎn)VO2由單斜絕緣相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄到饘傧嗟倪^程中在相變溫度、晶體結(jié)構(gòu)、電阻率和介電常數(shù)、光電性能等方面伴隨著非常明顯的變化。下面將對這些相變特點(diǎn)進(jìn)行具體介紹。(1)相變溫度接近室溫的熱致相變溫度和相變過程中伴隨著多方面性質(zhì)的顯著變化使得VO2在眾多的相變材料中脫穎而出并引起廣泛的研究。其相變溫度受VO2中各元素化學(xué)計量比影響，當(dāng)V:O1:2（含有雜質(zhì)離子或氧空位）時，其相變溫度

淮北師范大學(xué)2020屆碩士學(xué)位論文基于碳化硅襯底的二氧化釩薄膜的生長及相變性能研究8可促使VO2的絕緣-金屬轉(zhuǎn)變。此外，VO2薄膜與硅基襯底的結(jié)合在太赫茲器件領(lǐng)域中也有著大量研究。VO2薄膜作為一種快速顯著的相變材料在太赫茲開關(guān)和調(diào)制器件方面提供了潛在的應(yīng)用前景。例如，QiwuShi[52]等人通過溶膠-凝膠法在單晶硅上制備出0.1-1.5THz范圍內(nèi)具有約70％的透射率調(diào)幅的VO2薄膜。紀(jì)春輝[53]等人在高純度硅基底上制備的VO2薄膜(摻雜6.5當(dāng)量Nb)表現(xiàn)出優(yōu)異的熱致相變特性，其IMT過程中對于THz的調(diào)控率高達(dá)62.5％。圖1.6(a)偏置電壓控制VO2/n-GaN/Al2O3光器件的示意圖。(b)樣品在不同偏壓下的可見光-紅外透過率。(c)1.8μm紅外光的透過率與器件被階梯式偏壓加熱時間的函數(shù)關(guān)系。電壓每50s升高0.5V。(d)不同偏壓下1.8μm紅外透過率的動態(tài)響應(yīng)。[48]然而，由于晶格匹配關(guān)系和襯底的自身屬性等因素使得VO2與Si、GaN和ZnO等半導(dǎo)體襯底的結(jié)合在光電器件方面的應(yīng)用效果仍然具有較大的提升空間。例如，在單晶硅襯底上直接生長VO2薄膜的一個關(guān)鍵因素是襯底與薄膜之間的晶格匹配度低，進(jìn)而較難外延生長出高質(zhì)量的VO2薄膜。針對這一現(xiàn)象，一個可行的方案是在Si襯底上通過引入緩沖層來提高VO2的熱致相變特性。但緩沖層的引入往往會影響VO2與器件的結(jié)合，進(jìn)而降低了器件的穩(wěn)定性和使用效率。另外，單晶硅在空氣中容易發(fā)生氧化，導(dǎo)致VO2薄膜基器件使用壽命的減少。因此，在提高VO2薄膜的結(jié)晶質(zhì)量以及與相關(guān)器件結(jié)合的實(shí)際使用效率

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]MBE法制備VO2薄膜及其中紅外調(diào)制深度測量[J]. 劉志偉,路遠(yuǎn),侯典心,鄒崇文.  發(fā)光學(xué)報. 2018(07)
[2]用于紅外激光防護(hù)的高開關(guān)率VO2薄膜[J]. 王雅琴,姚剛,黃子健,黃鷹.  物理學(xué)報. 2016(05)



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