磁控濺射制備五氧化二釩薄膜及其透射率研究

張　勃，李林虎，張軒碩，鄧年捷，沈龍海

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

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磁控濺射制備五氧化二釩薄膜及其透射率研究

張勃，李林虎，張軒碩，鄧年捷，沈龍海

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：采用直流磁控濺射方法在普通玻璃襯底上制備五氧化二釩薄膜。研究氧氬比、濺射功率、襯底溫度和濺射時間對氧化釩薄膜結(jié)構(gòu)的影響。XRD測試結(jié)果表明，實驗均制得了純相的五氧化二釩，沒有出現(xiàn)其他的釩氧化物相。對制備的薄膜進行了透射率測試，并對結(jié)果做了分析。結(jié)果顯示，在室溫下，濺射功率為250W，濺射時間為10min，氧氬比為1∶100的條件下，薄膜的結(jié)晶度最好且具有較高的透射率。

關(guān)鍵詞：直流磁控濺射；五氧化二釩薄膜；XRD；透射率

氧化釩因其具有重要的特性而被人們廣泛研究。其中二氧化釩(VO2)因具有“金屬-絕緣體相變”特性，而被廣泛應(yīng)用于智能節(jié)能玻璃、紅外成像、激光防護等方面[1]。氧化釩薄膜的制備方法主要有磁控濺射[2]、溶膠-凝膠[3]和脈沖激光沉積[4]等。磁控濺射鍍膜因其薄膜穩(wěn)定性較好、膜層的結(jié)合力強和鍍材范圍廣等優(yōu)勢[5]，被廣泛應(yīng)用于鍍膜生產(chǎn)中。

作為過渡金屬氧化物，目前已報道至少存在13種不同結(jié)構(gòu)的釩氧化物，氧化釩中的釩會以不同價態(tài)存在，同時V-O鍵的復(fù)雜性也會增加制備單一物態(tài)氧化釩薄膜的難度[6]。利用磁控濺射方法制備氧化釩薄膜的過程中，也容易出現(xiàn)多種釩氧化物雜相共存的現(xiàn)象，如VO、VO2、V2O3、V2O5等[7]。因此直接制備VO2薄膜的難度較大，通常可以先制備高價的五氧化二釩(V2O5)再通過在還原性氣體氛圍退火處理得到VO2薄膜[8]。

單一相的V2O5薄膜的獲取有利于后期進行退火制備VO2薄膜。同時，V2O5本身也具有許多優(yōu)良的光電特性，在二次電池、電致變色、半導(dǎo)體等領(lǐng)域，受到人們廣泛的關(guān)注與研究。目前以普通玻璃作為襯底制備V2O5薄膜的報道還不多，主要是由于玻璃為非晶態(tài)，在其上形成晶態(tài)的V2O5薄膜有一定難度。本文采用直流磁控濺射，在普通玻璃襯底上，不同條件下制備純相的V2O5薄膜樣品。通過X射線衍射測試和透射光譜研究襯底溫度、功率、氧氬比和濺射時間對V2O5薄膜結(jié)構(gòu)透射率的影響。

1實驗

實驗采用JZ-450多功能鍍膜機在普通玻璃襯底上制備V2O5薄膜。XRD測試儀器采用RigakuD/max-rc，激發(fā)源采用銅靶(Cu，Kα=0.15406nm)，用θ-2θ方式測試。透射率測試儀器采用棱光UV757CRT型紫外可見分光光度計，波長范圍300～900nm。濺射靶材為純度99.99%的金屬釩，真空室的本底真空為2.0×10-4Pa，襯底為普通玻璃，工作氣壓為2.2Pa，靶基距為5cm。濺射時，通入高純的O2(99.99%)和Ar(99.99%)分別作為工作氣體和載氣體。通過改變襯底的溫度、濺射功率以及氧氣(O2)和氬氣(Ar)的流量比，在不同的條件下制備V2O5薄膜樣品，具體實驗參數(shù)見表1。

表1實驗控制變量

2結(jié)果與分析

2.1XRD實驗結(jié)果與分析

圖1a～圖1d分別為不同氧氬比、濺射功率、濺射時間、襯底溫度下的薄膜樣品的X射線衍射譜，每個圖中都出現(xiàn)的衍射峰2θ=15.39°、20.31°、31.07°、41.29°、47.38°和62.17°分別對應(yīng)于V2O5的(200)、(010)、(310)、(020)、(600)和(701)晶面，由此可知制備的薄膜樣品為正交晶系的V2O5，以(010)為主要的晶面取向，所有樣品的主要衍射峰都比較尖銳，由此可見薄膜樣品的結(jié)晶較好。

圖1a為不同氧氬比下制得的薄膜樣品的XRD譜圖，隨著氧氬比逐漸增大，衍射峰強逐漸增大，結(jié)晶度變好。研究發(fā)現(xiàn)通常氧含量增多會使得釩氧化物中釩的價態(tài)升高[9]，但通過對比XRD圖譜發(fā)現(xiàn)，本組實驗通過改變氧氬比以調(diào)整氧的含量，均制得純相V2O5薄膜，氧氬比的調(diào)整對生成的薄膜組分并無影響；圖1b為不同濺射功率下的薄膜樣品的XRD圖像。隨著濺射功率的增加，衍射峰峰強降低，峰位沒有發(fā)生變化，說明仍然生成了純相的V2O5薄膜。這是由于濺射功率增大，相同時間下成膜厚度增加，薄膜內(nèi)部缺陷增多，結(jié)晶度變差，所以衍射峰峰強降低；圖1c為不同濺射時間的薄膜樣品的XRD圖像。隨著濺射時間的增加，衍射峰的峰位及峰強均無明顯變化。說明濺射時間對樣品成分及其結(jié)晶度無影響；圖1d為不同襯底溫度下的薄膜樣品的XRD圖像，隨著襯底溫度的升高，衍射峰峰強降低，峰位并無明顯變化，說明仍然為純相的V2O5薄膜。

(a)不同氧氬比

(b)不同濺射功率

(c)不同濺射時間

(d)不同襯底溫度

2.2透射光譜實驗結(jié)果與分析

圖2為不同實驗條件下制得的V2O5薄膜在300～900nm波段的透射光譜，通過對圖2的分析得知，在300～480nm波長范圍內(nèi)，不同參數(shù)下的薄膜樣品具有大致相同特征的透射光譜，且透射率都比較低。在500～650nm波長范圍內(nèi)，透射率增幅較大，且在波長為680nm處吸收峰呈現(xiàn)向下的跳變。在750～900nm波長范圍內(nèi)，透射率波形趨于平緩。

圖2a為不同氧氬比下V2O5薄膜的透射光譜，隨著O2流量的增大，薄膜的透射率逐漸變大，這可能是由于O2流量的增大，薄膜的沉積速率降低，所制備的薄膜變薄而引起的[10]；圖2b為不同濺射功率下V2O5薄膜的透射光譜，隨著濺射功率的增大，成膜速率增加，相同時間內(nèi)，薄膜厚度變厚，透射率降低；圖2c為不同濺射時長下V2O5薄膜的透射光譜，隨著濺射時長的增加，透射率降低；圖2d為不同襯底溫度下V2O5薄膜的透射光譜，隨著襯底溫度升高，透射率降低。這可能是由于成膜過程中溫度較高，晶體內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致透射率較低[11]。

經(jīng)過上述分析可知，增加氧氬比，降低濺射功率，縮短濺射時間以及降低襯底溫度，均可增加薄膜的透射率。

(a)不同氧氬比

(b)不同濺射功率

(c)不同濺射時間

(d)不同襯底溫度

3結(jié)論

采用直流磁控濺射法，在普通玻璃襯底上成功制備了結(jié)晶良好、純度較高的V2O5薄膜。在室溫下，當濺射功率為250W，濺射時間為10min，氧氬比為1∶100時，制得的V2O5薄膜具有較好的結(jié)晶度且具有較高的透射率。純相V2O5薄膜的制

備，有利于后期退火以制備二氧化釩薄膜，對二氧化釩薄膜的制備具有重要意義。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Preparation of Vanadium Pentoxide Films by Magnetron Sputtering

ZHANG Bo，LI Linhu，ZHANG Xuanshuo，DENG Nianjie，SHEN Longhai

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：Vanadium pentoxide thin films were prepared on ordinary glass substrates by DC magnetron sputtering.The influence of argon oxygen ratio,sputtering power,substrate temperature and sputtering time the structure of on vanadium oxide thin film was studied.XRD results showed that all samples were pure phase vanadium pentoxide.There was no other vanadium oxide phase.A series of experiments were carried to test the transmittance of Vanadium pentoxide films and the results were analyzed.

Key words：DC magnetron sputtering；vanadium pentoxide films；XRD；transmittance

中圖分類號：O484.4

文獻標志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0027-04

作者簡介：張勃(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：沈龍海(1977—)，男，教授，博士，研究方向：寬禁帶半導(dǎo)體納米材料的合成和物性。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11004138)；遼寧省優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(LJQ2011020)

收稿日期：2015-03-10