最新氧化钒材料及其在红外探测应用的研究PPT课件.ppt

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1、氧化钒材料及其在红外探测应用的研究目录摘要红外探测器的发展方向是非制冷、低成本、小型化。具有优异热敏性能的氧化钒薄膜材料是红外探测器的首选热敏电阻材料。合适的薄膜电阻值且具有大的电阻温度系数（TCR）的氧化钒薄膜是实现高探测率的基础。本文对氧化钒的结构、相变原理及其在红外探测上的应用进行研究。钒主要氧化物的性质比较二氧化钒的结构沿[011]方向堆叠的VO2的晶体结构VO2在68℃附近发生由低温半导体态向高温金属态的转变，结构由单斜金红石型转变为四方金红石型。金红石结构是体心正交平行六面体单斜结构体积是金红石结构的两倍，可以看作是两个金红石结构形变而来金红石结构：体心正交平行六面体，体

2、心和顶角由V4+离子占据，每个V4+离子位于略微变形的正八面体的中心，被六个O2-离子所包围，钒原子明显地与一个氧原子较为接近，而与其它氧原子的距离较远。该结构中，V4+离子的配位数是6，O2-离子的配位数是3。每个原胞中包含4个O离子，2个V离子。最近邻的钒原子间的距离为287pm，钒原子中的电子为所有的金属原子所共有。因此，它是一种n型半导体。单斜结构：体积是金红石结构的两倍，可以看作是两个金红石结构形变而来，但是在单斜结构中，最近邻的钒原子间的距离由287pm变为265pm，在沿着氧八面体和相邻两个八面体共边连接成长链的方向上形成3V-V，钒原子间距离按265pm和312pm的

3、长度交替变化，每个钒原子的d电子都定域于这些V-V键上，结果造成了在沿c轴方向上VO2不再具有金属的导电性。五氧化二钒的结构沿[100]方向堆叠的V2O5晶体结构VO2晶体和V2O5晶体的主要区别氧化钒的制备工艺由于各氧化钒稳定存在的组分范围很窄，要制备单一组分的氧化钒薄膜是比较困难的。为此采用了各种方法来制备氧化钒薄膜，优化工艺参数，以获得性能优良的氧化钒薄膜。1.溅射法2.蒸发3.脉冲激光沉积工艺4.溶胶—凝胶法1.溅射法溅射是一种物理气相沉积（PVD）方法，由于溅射中淀积到衬底上的原子能量大，生成的薄膜具有与沉底的粘附性好、致密均匀等优点，在制备氧化钒薄膜中应用广泛。用溅射法制

4、备的氧化钒，在室温附近具有较高的负电阻温度系数，工艺温度低，与Si-CMOS工艺兼容性也很好。溅射方法主要有射频溅射、离子束溅射和PF磁控溅射。靶材一般可采用纯度很高的V2O5或者金属钒。衬底可为玻璃，SiO2/Si以及蓝宝石单晶等。基片的加热温度一般为室温到550℃，本体真空度优于10-3Pa，腔体内一般充氧气和Ar气等惰性气体。通过改变氧分压和沉积温度，可制备不同组分的氧化钒薄膜。沉积速率与靶基距及溅射速率有关。溅射生成氧化钒，其中往往含有钒的多种氧化物，如V2O5、V2O3、VO2和VO等。可以适当控制工艺条件，并采用退火及激光烧结等处理得到所需性能的氧化钒VOx薄膜。2.蒸发

5、法真空蒸发镀膜包括以下三种基本过程：（1）热蒸发过程。包括由凝聚相转变为气相的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸汽进入蒸发空间。（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输，及这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及蒸发源到基片之间的距离，常称源—基距。（3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸汽凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。2.蒸发法优

6、点：蒸发法设备简单、操作容易、成膜速率快、薄膜的生长机理比较单纯、用掩膜可以获得清晰图形。缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，与基底附着力较小，工艺重复性不够好等。近年来又相继发展了离子束辅助蒸发、高速激活反应蒸发等技术，并通过适当控制其工艺参数，使薄膜的微观结构和转换性能都能得到很大的改善。3.脉冲激光沉积工艺脉冲激光沉积工艺是近年来发展起来的真空物理沉积新工艺，它是利用大功率激光将靶材加热至融熔状态，使靶材中的原子喷射出来淀积在距离很近（约几厘米）的衬底上。常用准分子激光为脉冲激光源。脉冲宽度在10ns左右，脉冲频率约5—50Hz，沉积真空度优于10-3Pa，工作室的窗口材料是石英，

7、照射在靶上的激光能流是1—5J/cm2。靶可由V2O5或金属钒粉末压成，同时有一个扫描装置来控制成膜条件以得到均匀及所需厚度的膜。沉积气氛一般为氧气或者氧、氩混合气体，调节氧分压，可沉积不同组分的氧化钒薄膜。沉积速率由激光功率、脉冲频率、真空度等条件决定。3.脉冲激光沉积工艺优点：脉冲激光沉积工艺可制备复杂组分的薄膜材料，组分容易控制，生长速率快，沉积参数易调整，与传统方法相比可在较低温度下实现薄膜原位外延生长，薄膜中原子之间的结合力强。缺点：薄膜均匀性差