VO2薄膜制備技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

張士舉

摘 要：本文綜述了濺射法、溶膠-凝膠法、蒸發(fā)法、常壓化學(xué)氣相沉積法等制備VO2薄膜的方法，并對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：二氧化釩；制備；應(yīng)用

0 引言

VO2作為固態(tài)熱致相變材料，當(dāng)溫度在68℃時(shí)，因熱驅(qū)動(dòng)而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，VO2晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生變化（單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇鸺t石結(jié)構(gòu)），同時(shí)其光學(xué)和電學(xué)性能也會(huì)發(fā)生突變。VO2薄膜優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性，使得其具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[1]。

當(dāng)前用于制備VO2薄膜的方法主要有濺射法、溶膠-凝膠法、蒸發(fā)法、常壓化學(xué)氣相沉積法等。

1 二氧化釩薄膜的制備方法

1.1 濺射法

該法是在通氧條件下濺射金屬釩靶，淀積與反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，濺射所用設(shè)備可以是離子束濺射或磁控濺射，用Ar+離子束濺射釩靶，在加熱襯底上形成VO2多晶薄膜，然而在較低襯底溫度下晶粒尺寸會(huì)較小，兩相電阻比Rs/Rm小。采用反應(yīng)磁控濺射，在Ar氣中混合O2，可在藍(lán)寶石襯底上外延出VO2，外延VO2薄膜具有相變陡峭、熱滯效應(yīng)小等特性。

此外，還有濺射V2O5粉末靶制備VO2的報(bào)道。用純Ar+離子直接濺射V2O5粉末靶，即可在襯底上淀積出二氧化釩。周進(jìn)等人采用Ar+離子柬濺射V2O5粉末靶在室溫下淀積出的氧化釩薄膜為高價(jià)態(tài)V2O5[2]。

1.2 溶膠-凝膠法（Sol-Gel）

將VO（OC3H7）3溶于某些有機(jī)溶劑配成母液，用涂膠機(jī)或漂洗儀將母液涂布于襯底上，溫度在370～670℃范圍內(nèi)進(jìn)行烘干沉底生成V2O5。將V（OR）4溶液均勻涂布于玻璃襯底上，凝膠后形成VO2·X（H2O），在N2氣中經(jīng)200～700℃烘干襯底，即獲得VO2。該法制備成本低，可大面積制備，客易摻雜，可雙面一次形成，但厚度較難控制，工藝控制要求較高，容易使薄膜開(kāi)裂或起泡[3]。

1.3 蒸發(fā)法

通常用V2O5粉末蒸發(fā)淀積VO2薄膜。單純蒸發(fā)獲得的氧化釩薄膜一般為缺氧的V2O5，在200～500℃氧氣中退火，薄膜即轉(zhuǎn)變?yōu)榉匣瘜W(xué)計(jì)量比的VO2，薄膜的機(jī)械強(qiáng)度得到了提高，與襯底附著力也得到優(yōu)化。若在通氧下進(jìn)行蒸發(fā)，可淀積得到V2O5，但要在較低的襯底溫度下淀積，使得薄膜機(jī)械強(qiáng)度和附著力變差。用上述蒸發(fā)法獲得的薄膜，難以制備低價(jià)態(tài)氧化釩，有人用反應(yīng)蒸發(fā)的方法制備低價(jià)態(tài)氧化釩。Case采用電子束蒸發(fā)金屬釩，在通氧下，在藍(lán)寶石、CaF2、石英等多種襯底上淀積出VO2。他還通過(guò)Ar+、O-離子輔助反應(yīng)蒸發(fā)獲得VOx（x<2），經(jīng)原位高溫退火轉(zhuǎn)變?yōu)閂O2?。然而蒸發(fā)獲得的氧化釩的薄膜機(jī)械強(qiáng)度差，與襯底的附著力小，有時(shí)襯底溫度會(huì)過(guò)高，不適于與SiCMOS電路進(jìn)行單片集成[4]。

1.4 常壓化學(xué)氣相沉積法（APCVD）

該法成膜速度快，連續(xù)性高，便于應(yīng)用于浮法在線生產(chǎn)，是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種制備VO2薄膜的新方法。前驅(qū)液采用VCl4或VOCl3與H2O，在將其氣化后，以氮?dú)鉃檩d氣，輸送至反應(yīng)器。生產(chǎn)時(shí)，要精確控制VCl4或VOCl3與H2O的用量比例以及熱玻璃板表面溫度才能沉積得到組分單一的薄膜[5]。

2 VO2薄膜的應(yīng)用

因VO2薄膜在相變時(shí)伴隨著電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的突變的性能，使得VO2材料具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 激光輻射保護(hù)膜

強(qiáng)激光入射到窗口上時(shí)，VO2薄膜會(huì)吸收光能量，使VO2薄膜溫度迅速上升至相變溫度，薄膜在極短的時(shí)間內(nèi)即完成從半導(dǎo)體態(tài)向金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變，薄膜對(duì)紅外光由透射突變?yōu)榉瓷洌瑥亩档土诉M(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光能量，使光學(xué)系統(tǒng)不至于燒毀，達(dá)到防護(hù)的目的。

2.2 智能窗

98%的太陽(yáng)輻射能處于可見(jiàn)光和紅外光波段。在該波段，VO2薄膜具有較高的低溫透過(guò)率和較低的高溫透過(guò)率。故VO2薄膜太陽(yáng)能窗可智能的調(diào)節(jié)紅外熱輻射的透過(guò)率，形成智能窗。當(dāng)溫度高時(shí)，VO2處于高溫金屬態(tài)，對(duì)紅外光透過(guò)率很低，可阻止紅外光的入射，達(dá)到降低室溫的目的；當(dāng)溫度低于VO2薄膜的相變溫度時(shí)，紅外光又以較高的透過(guò)率透過(guò)智能窗，使室內(nèi)溫度上升。

2.3 高靈敏度應(yīng)變計(jì)材料

VO2薄膜的電阻（率）對(duì)應(yīng)變非常的敏感，應(yīng)變敏感程度可達(dá)傳統(tǒng)金屬100倍以上。一般情況下，連續(xù)金屬箔的應(yīng)變系數(shù)值約為2左右，而VO2薄膜可達(dá)200之高。VO2薄膜的電阻（率）對(duì)加載或卸載時(shí)應(yīng)變敏感的特性，使它有成為高靈敏度應(yīng)變計(jì)的優(yōu)選材料。

2.4 紅外輻射測(cè)熱計(jì)及熱敏電阻

VO2薄膜是較好的熱敏電阻材料，與V2O5一樣，其電阻率隨溫度的變化可達(dá)2～5.2%/℃；利用VO2薄膜受溫度激發(fā)電阻率突變的特性，可以將其制成熱致電學(xué)開(kāi)關(guān)材料，如溫度探測(cè)器、熱敏繼電器、非制冷紅外探測(cè)器等。

2.5 可變反射鏡

VO2薄膜相變時(shí)光學(xué)反射率會(huì)發(fā)生突變，可將其制成反射鏡，當(dāng)薄膜某點(diǎn)溫度改變時(shí)，則該點(diǎn)的反射率就發(fā)生變化。

3 結(jié)語(yǔ)

VO2薄膜在眾多領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，對(duì)VO2薄膜的研究已取得一定的進(jìn)展。要使VO2薄膜在各領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，還需進(jìn)一步解決許多問(wèn)題，如進(jìn)一步優(yōu)化VO2薄膜的制備工藝；降低VO2薄膜相變溫度；增強(qiáng)相變特性以提高相變前后電學(xué)和光學(xué)特性的變化幅度等。

參考文獻(xiàn)

[1]金良茂，方強(qiáng)，王友樂(lè).二氧化釩薄膜的制備技術(shù)及應(yīng)用研究[J].2007年中國(guó)浮法玻璃及玻璃新技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集，2008.8，64～68.

[2]周進(jìn)等.氧化釩熱敏薄膜的制備及其性質(zhì)的研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2001，20（4）：291～294.

[3]茹國(guó)平等.微測(cè)輻射熱計(jì)用氧化釩薄膜制備及特性[J].微細(xì)加工技術(shù)，2002，4：45～51.

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