一种氧化钒单晶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)磁控溅射的准备工作；B)对样品台进行加热，再通入氧气和氩气，调节真空腔的压力；C)采用射频电源对金属钒靶起辉以产生等离子体，预溅射后进行正式溅射；D)溅射结束后依次关闭射频电源、氧气、挡板阀、分子泵和机械泵，再进行退火处理，得到氧化钒单晶薄膜。本发明专利技术可精准可控制备、大尺寸、高质量的各种晶相的氧化钒单晶薄膜。本发明专利技术极大的简化了可控制备高质量大面积氧化钒单晶薄的工艺，大幅降低了制备成本，为氧化钒薄膜在光电探测、相变存储、激光防护等领域的应用打破了产业瓶颈。

Preparation of a Vanadium Oxide Single Crystal Film

The invention provides a preparation method of vanadium oxide single crystal film, which includes the following steps: A) preparation of magnetron sputtering; B) heating the sample table, then adding oxygen and argon to regulate the pressure of the vacuum chamber; C) using radio frequency power source to glow on the metal vanadium target to generate plasma, which is formally sputtered after pre-sputtering; D) closing the radio frequency power source and oxygen in turn after sputtering; Vanadium oxide single crystal films were obtained by annealing, baffle valves, molecular pumps and mechanical pumps. The invention can accurately and controllably prepare various crystal phase vanadium oxide single crystal films with large size and high quality. The invention greatly simplifies the process of controllable preparation of high quality large area vanadium oxide single crystal thin, greatly reduces the preparation cost, and breaks the industrial bottleneck for the application of vanadium oxide thin film in the fields of photoelectric detection, phase change storage, laser protection, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化钒单晶薄膜的制备方法
本专利技术涉及氧化钒制备
，尤其涉及一种氧化钒单晶薄膜的制备方法。
技术介绍
钒氧化物是一类极其复杂的过渡金属氧化物，这主要是由于钒的价态变化多端，且钒氧化物的结构的性能对氧元素极为敏感。钒氧化物可以分为两种类型，即VnO2n+1(Wadsley相)和VnO2n-1(Magnéli相)；Wadsley相具有层状特征，如VO3、V2O5、V3O7、V4O9、V6O13等(n＝1～6)，这些相通常是V4+和V5+的混合价态，这些化合物允许可逆的离子插层，因此它们适合于电化学能量转换和储存，Magnéli相的钒氧化物几乎都存在金属-绝缘体转变(MIT)的特点，同时还伴随着结构相变，大多数都保持着化学计量比不变的可逆相变，形成了丰富的钒氧化物相变家族。在众多的钒氧化物中最引人注目的是VO2，它属于Magnéli相家族VnO2n-1(当n＝∞时)的成员，其同质异形体至少有五种：四方晶系的R相、M2相和A相，单斜晶系的B相和M1相等；其中VO2(R，M1)在钒氧化物中是最为典型的相变材料。高于临界转变温度(Tc＝340K，块材VO2的本征转变温度)时，VO2是四方金红石相呈现金属态，小于临界转变温度时VO2是低温单斜绝缘相，这两个相之间发生结构转变的同时伴随着4～5量级的电阻率变化，红外透过率也同样发生陡变，高温下的四方金红石相VO2对红外光具有极好的截止性能，因而在低功耗场效应管、光电器件、智能节能窗等方面具有很大的应用潜力。VO2(B)相是众多的亚稳相之一，其结构特点是层状结构，通常用于Li离子电池的阴极中，同时VO2(B)具有高温度电阻系数可用于辐射热计中的红外吸收层。V2O3同样具有陡峭的MIT，其电阻率变化量级甚至能到10个，但是临界转变温度在低温(Tc＝168K)，目前对于V2O3的研究也开始引起了学术界的兴趣。然而，目前大尺寸氧化钒单晶薄膜的制备仍是一个挑战。一方面，钒氧化物本身具有丰富的相变且钒元素在这些氧化物中可能呈现多重价态的特点，导致其生长窗口非常窄小；另一方面，外延单晶薄膜的生长对衬底具有严格选择匹配性，使得生长高质量的单晶薄膜的衬底非常有限而且通常比较昂贵。目前钒氧化物单晶薄膜的制备方法包括真空镀膜方法(脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射等)和溶胶-凝胶法等。分子束外延方法虽然生长的薄膜质量高，但设备维护和运行成本都很高；脉冲激光沉积方法受到激光羽辉发散的限制，通常制备的薄膜样品面积较小，厚度均匀性不高；溶胶-凝胶法制备的薄膜样品结晶质量较差，无法满足高性能器件的要求；磁控溅射具有工业化制备大面积薄膜的潜力，但目前磁控溅射制备氧化钒薄膜通常使用的是VO2或者V2O5靶材，无法实现一种靶材制备多种相的氧化钒单晶薄膜，也少有均匀大尺寸氧化钒薄膜的展示和报道，另外V2O5靶有剧毒对实验人员来说存在安全隐患。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，本申请提供的制备方法可在衬底上成功制备出2英寸以上的VO2(B)、VO2(M1)或V2O3等高质量的氧化钒单晶薄膜。有鉴于此，本申请提供了一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将金属钒靶装入磁控溅射设备的永磁铁射频枪或直流枪上，将衬底清洗后固定于旋转的样品台上，将磁控溅射设备的真空腔抽真空；B)对样品台进行加热，再通入氧气和氩气，调节真空腔的压力；C)采用射频电源对金属钒靶起辉以产生等离子体，预溅射后进行正式溅射；D)溅射结束后依次关闭射频电源、氧气、挡板阀、分子泵和机械泵，再进行退火处理，得到氧化钒单晶薄膜。优选的，步骤B)中，所述加热的温度为450～500℃，所述氧气的流量为1～3sccm，氩气的流量为50～60sccm；步骤C)中，所述射频电源的功率为40～100W。优选的，步骤A)中，所述抽真空至所述真空腔的真空度小于10-5Pa。优选的，步骤B)中，所述加热的升温速率为3～6℃/min。优选的，步骤B)中所述真空腔的压力为0.3～0.6Pa。优选的，步骤C)中，所述正式溅射的过程中，样品台的转速为8～12r/min。优选的，所述预溅射的时间为8～12min。优选的，所述退火处理的过程中，在真空腔中通入氩气，氩气的压力为50Pa时停止通入氩气，所述退火处理的时间为20～40min。优选的，所述衬底为(001)取向的Al2O3衬底。本申请提供了一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，其是采用反应离子磁控溅射法在衬底上制备出了2英寸以上的VO2(B)，VO2(M1)，V2O3等高质量的氧化钒单晶薄膜；具体为在真空腔中通入Ar和O2，处于电场中的电子与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子，Ar离子在电场作用下加速飞向靶材，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，腔体中的O2与溅射出来的金属元素发生反应并沉积到衬底的表面，由此形成了氧化钒单晶薄膜；进一步的，本申请通过调节高纯氧气的流量和衬底加热的温度来控制金属钒元素的氧化态，通过控制溅射功率和通入Ar气的流量等参数来精准控制金属钒沉积的速率，衬底的加热台具有转速可调的旋转功能，以保证大尺寸样品制备的高度均匀性。附图说明图1为本专利技术氧化钒单晶薄膜的制备方法及实施示意图；图2为实施例1制备的VO2(B)薄膜样品的XRD图谱；图3为实施例1制备的VO2(B)薄膜样品的XRR图谱；图4为实施例2制备的VO2(M1)薄膜样品的XRD图谱；图5为实施例2制备的VO2(M1)薄膜样品的XRR图谱；图6为实施例2制备的VO2(M1)薄膜样品的输运测试结果图；图7为实施例2制备的VO2(M1)薄膜的光学照片；图8为实施例3制备的V2O3薄膜样品的XRD图谱；图9为实施例3制备的V2O3薄膜样品的XRR图谱。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。针对现有技术采用VO2或V2O5靶材无法制备多种相的且大尺寸的氧化钒单晶薄膜的现状，本专利技术实施例公开了一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，本申请提供的制备方法使用单一钒靶材，可制备元素氧化态精确可调、高质量、大尺寸和可重复性高的单晶氧化钒薄膜。具体的，本申请氧化钒单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将金属钒靶装入磁控溅射设备的永磁铁射频枪或直流枪上，将衬底清洗后固定于旋转的样品台上，将磁控溅射设备的真空腔抽真空；B)对样品台进行加热，再通入氧气和氩气，调节真空腔的压力；C)采用射频电源对金属钒靶起辉以产生等离子体，预溅射后进行正式溅射；D)溅射结束后依次关闭射频电源、氧气、挡板阀、分子泵和机械泵，再进行退火处理，得到氧化钒单晶薄膜。上述制备方法的装置示意图如图1所示，本申请制备氧化钒单晶薄膜的具体实施原理为：在磁控溅射设备的真空腔中通入一定流量的Ar和O2，处于电场中的电子与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子，Ar离子在电场作用下加速飞向靶材，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，腔体中的O2与溅射出来的金属元素发生反应并沉积到衬底的表面；从原理上来说，在一定生长气压下，控制好Ar流量、O2流量、衬底的温度以及溅射功率可以制备出不同价态的金属氧化物。在制备氧化钒单晶薄膜的过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将金属钒靶装入磁控溅射设备的永磁铁射频枪或直流枪上，将衬底清洗后固定于旋转的样品台上，将磁控溅射设备的真空腔抽真空；B)对样品台进行加热，再通入氧气和氩气，调节真空腔的压力；C)采用射频电源对金属钒靶起辉以产生等离子体，预溅射后进行正式溅射；D)溅射结束后依次关闭射频电源、氧气、挡板阀、分子泵和机械泵，再进行退火处理，得到氧化钒单晶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氧化钒单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将金属钒靶装入磁控溅射设备的永磁铁射频枪或直流枪上，将衬底清洗后固定于旋转的样品台上，将磁控溅射设备的真空腔抽真空；B)对样品台进行加热，再通入氧气和氩气，调节真空腔的压力；C)采用射频电源对金属钒靶起辉以产生等离子体，预溅射后进行正式溅射；D)溅射结束后依次关闭射频电源、氧气、挡板阀、分子泵和机械泵，再进行退火处理，得到氧化钒单晶薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B)中，所述加热的温度为450～500℃，所述氧气的流量为1～3sccm，氩气的流量为50～60sccm；步骤C)中，所述射频电源的功率为40～100W。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述抽真空至所述真空腔的...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗震林，杨远俊，洪宾，高琛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34