二氧化钒薄膜的制备及甲烷气敏性能初探

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1、二氧化钒薄膜的制备及甲烷气敏性能初探StudyonFabricationandMethaneGasSensitivityPerformanceofVO2ThinFilms学科专业：集成电路工程研究生：李娜指导教师：胡明教授企业导师：李微高级工程师天津大学电子信息工程学院二零一五年十二月摘要二氧化钒（VO2）是钒和氧结合形成的亚稳态钒氧化物，在光和热的激励下，可发生半导体相到金属相的转变，且具有可逆性，其相变温度约为68℃，接近室温，受到研究人员广泛关注。利用以薄膜形式存在的VO2在相变过程中引起的电学、光学性

2、质的突变特性，可制备智能窗、光电开关、相变存储器等。在VO2薄膜的相变特性研究中发现，高的相变幅度和低的相变温度可以有效提高器件性能。近期研究发现，VO2薄膜不仅是理想的热敏感电阻材料，而且可以作为气体敏感材料应用于甲烷气敏传感器中。本文研究内容主要包括两个方面：一是具有高热致相变幅度和低热致相变温度氧化钒（VOx）薄膜的制备；二是VOx薄膜微观形貌和贵金属掺杂对甲烷气敏性能的初探。利用X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、四探针测试仪及气敏测试系统对VOx薄膜进行微观分析及电学、气敏性

3、能的研究。首先采用磁控溅射加快速热处理的方法制备VOx薄膜。实验中利用单一变量的方法，通过调整热处理参数，获得高热致相变幅度及低热致相变温度的VOx薄膜。发现当热处理温度为460℃，时间为270s，氧气流速为5slpm时，VOx薄膜的热致相变幅度最大，超过2个数量级，此时对应的热致相变温度为46℃，远低于单晶VO2体材料的相变温度68℃。对于甲烷气敏性能的研究中，主要通过增加薄膜表面积及在薄膜表面进行贵金属掺杂的方式来提升甲烷气敏性。在优化薄膜表面积方面，通过改变溅射时的基底温度及在金属V薄膜表面喷Cu两种方

4、式来提高表面积。结果表明当溅射V膜时基底温度为400℃，并在V膜表面喷Cu后进行热处理，所得薄膜的形貌具有较大比表面积，此时薄膜对甲烷表现出一定的气敏反应。而当掺杂贵金属Pt时，相比较于未进行掺杂的VOx薄膜对甲烷的灵敏度提升，且常温下便可进行甲烷气敏性的测量，这对于降低气敏传感器的工作温度具有重要意义。实验结果分析，贵金属Pt的掺杂相比较于增大薄膜表面积对于甲烷气敏气敏性能的提升更具有影响力。将VOx用作敏感材料探测甲烷，不仅扩展了VOx薄膜的应用范围，同时对于温室效应和瓦斯爆炸中甲烷的检测具有实际意义。关

5、键词：氧化钒薄膜，相变幅度，相变温度，室温下甲烷气敏IABSTRACTvanadiumdioxide(VO2)isakindofmetastablevanadiumoxideswhichiscomposedofVandO.Undertheexcitationoflightandheat,VO2undergoesareversiblemetal-insulatortransitionwiththetransitiontemperatureof68℃whichisclosetoroomtemperature,so

6、itiswidelyinvestigatedbyresearchers.TakingadvantageofthephasetransitioncharacteristicsofVO2thinfilminelectronicandopticalaspect,itisappliedtosmartwindows,opticalswitches,phasechangememory,etc.Studyshowsthatthehighphasetransitionamplitudeandlowphasetransitio

7、ntemperatureofVO2thinfilmcanimprovedeviceperformance.RecentstudieshavefoundthatVO2thinfilmisnotonlyakindofperfectheatsensitivematerial,butalsogassensitivematerialwhichisusedasmethanegassensor.Inthispaper,Contentsofthispaperincludetwoaspects:Oneisthefabricat

8、ionofvanadiumoxide(VOx)thinfilmwhichpossesseshighphasetransitionamplitudeandlowphasetransitiontemperature;theotheristheeffectthatmicrotopographyandnoblemetaldopingofVOxthinfilmonthemethanegassensor.The