一种高价金属阳离子掺杂制备的B相VO2热敏薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种通过高价金属阳离子（M）掺杂制备的非制冷焦平面红外探测器用的高性能B相VO2热敏薄膜及其制备方法。具有优异热敏性能的二氧化钒（VO2）薄膜材料是非制冷微测辐射热计红外探测器首选的热敏电阻材料。目前使用的VO2(B)相薄膜具有电阻太大（达到MΩ级），TCR较小（小于2%/K）等不利因素，限制了VO2(B)相薄膜的应用。本发明专利技术拟通过高价金属阳离子掺杂（包括均匀掺杂和梯度掺杂），利用高价金属阳离子强的还原性和其取代V后贡献的多余电子提高膜的导电性。本发明专利技术的热敏薄膜具有较高的室温TCR（-2 %/K～-5 %/K）和较低的方块电阻（10 kΩ/□～60 kΩ/□），可有效地提高非制冷焦平面红外探测器的灵敏度，在红外探测与成像器件领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高价金属阳离子掺杂制备的B相VO2热敏薄膜及其制备方法，属于非制冷红外探测器与成像器件制备

技术介绍
氧化钒薄膜由于具有高的电阻温度系数(TCR)，合适的电阻，制备工艺与硅兼容以及其制得的器件具有较低的1/f噪声与较高的帧数（60HZ）等特点，并且较低工艺温度的氧化钒热敏材料由于对微结构下的读出电路不产生破坏作用，所以成为目前最广泛使用的非制冷红外探测器芯片用热敏薄膜材料。氧化钒作为热敏材料在非制冷红外探测器上的应用的重要的参数：室温TCR与方块电阻。氧化钒热敏薄膜TCR越高，方阻合适(10kΩ/□～60kΩ/□)，其噪声越小，红外探测器越灵敏。VO2(M)相薄膜在68℃具有M-R相变，([1]F.J.Morin.Oxideswhichshowametal-to-insulatortransitionattheNeeltemperature.Phys.Rev.Lett.3(1959)34-36)电阻率可因相变产生103-104的变化，因此相变区域会有非常高的TCR和相应良好的微测辐射热计响应。但是，与之伴随的诸多问题：滞后回线易使探测器的运行混乱；相变过程伴随的吸热和放热会干扰辐射热计的运行；为达到相变温度需将辐射热计加热到其相变温度需额外增加一个激光加热器；过多的噪声等，基于这些问题，现在的红外焦平面技术倾向于摒弃这种非常高的TCR过渡区，而是基于在室温附近的半导体区来运作。因此，制备在室温下高电阻温度系数、合适方阻的氧化钒热敏薄膜成为了研究人员重点研究对象。VO2(B)相薄膜在室温下无相变，因此没有电学、光学参数的突变，也没有热滞效应，是一种理想的红外探测器材料。但由于VO2(B)相薄膜具有电阻太大（达到MΩ级），TCR较小（小于2%/K）等不利因素，限制了VO2(B)薄膜的应用。([2]Wada,H.;Nagashima,M.;Oda,N.etal.Designandperformanceof256x256bolometer-typeuncooledinfrareddetector.Proc.SPIE.1998,3379,90-100.)二氧化钒的导电主要靠其3d电子层，由于VO2(B)结构中的V4+离子3d电子层只有一个电子，使薄膜导电性较差。另外VO2(B)相薄膜的3d电子被束缚在V4+离子周围，V-V对V3d电子束缚力大，导电激活能高。随着温度的变化，VO2薄膜电阻变化小，导致TCR也较小。适当的掺杂可以提高薄膜的TCR和降低电阻。目前对掺杂的研究主要集中在降低VO2(M)相变温度使相变发生在室温下，同时保持高的TCR。通常向薄膜中掺入高价W6+、Mo6+、Nb5+和Ta5+离子来降低相变温度。SangwookLee等研究了钨梯度掺杂氧化钒纳米线，大大提高了氧化钒|TCR|(相变区域大于8%/K)，但其制备的纳米线的室温电阻大于100kΩ，大大制约了其在非制冷红外探测器上的应用。([3]S.Lee,C.Cheng,H.Guo,Axiallyengineeredmetal-insulatorphasetransitionbygradeddopingVO2nanowires,J.Am.Chem.Soc.135(2013)4850-4855)然而，很少报道调控VO2(B)相薄膜结构或性质，由于VO2(B)室温下无相变，不可能像VO2(M)相通过调节相变温度和热滞来改善薄膜性能。可以设想，如果能够成功的制备具有高TCR和低的可调电阻的VO2(B)薄膜，不仅能避免VO2(M)薄膜的缺点，又能克服自身的弱点。根据理论观点，TCR和方块电阻主要由VO2(B)薄膜的3d电子决定，通过掺杂高价的过渡金属W6+、Mo6+、Nb5+和Ta5+增加d态电子，可以提高室温TCR和降低VO2(B)相薄膜的电阻。本专利技术提供一种通过高价金属阳离子（M）掺杂制备的非制冷焦平面红外探测器用的高性能B相VO2热敏薄膜及其制备方法。通过制备高价金属阳离子（M）掺杂B相氧化钒薄膜，对薄膜进行退火处理，高价金属阳离子（M）向VO2中扩散，由于高价金属阳离子（M）具有很强的还原性，可将V5+还原至V4+，V-O间的结合力降低，掺杂原子通过扩散可取代结合力较弱的V离子。影响VO2(B)薄膜的电阻主要是薄膜的导电性，VO2(B)主要靠V3d电子层导电，V3d层只有一个电子，导电性较弱；掺杂离子取代V4+后其多余的电子可成为导电电子，增加VO2(B)相的导电性，减小电阻，提高薄膜的TCR。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过高价金属阳离子（M）掺杂制备的非制冷焦平面红外探测器用的高性能B相VO2热敏薄膜。相比较于现有技术，可有效地提高非制冷焦平面红外探测器的灵敏度，在红外探测与成像器件领域具有广泛的应用前景。本专利技术第一目的在于获得高性能、可提高非制冷焦平面红外探测器性能的高价金属阳离子（M）掺杂的B相VO2热敏薄膜材料。本专利技术第二目的在于获得高性能、可提高非制冷焦平面红外探测器性能的高价金属阳离子（M）掺杂的B相VO2热敏薄膜材料的制备方法。本专利技术提供了一种通过高价金属阳离子（M）掺杂的B相VO2热敏薄膜，所述热敏薄膜包括有衬底及有高价金属阳离子(M)掺杂的B相VO2：所述衬底为石英玻璃、或单晶硅、或陶瓷基板、或电路元件；所述高价金属阳离子（M）掺杂B相VO2的掺杂元素包括Nb、或Ta、或Mo、或W中的任一种；所述掺杂元素总量为V元素的0.25mol%～20mol%，优选1.0mol%～3.0mol%；所述的掺杂包括掺杂元素沿膜厚方向的均匀掺杂和梯度掺杂；所述的热敏薄膜厚度为50nm～500nm，优选的厚度为80nm～200nm；本专利技术一种高价金属阳离子（M）掺杂的B相VO2热敏薄膜的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：a.清洗衬底按常规清洗流程清洗；所述的衬底为单晶硅、或石英玻璃、或陶瓷基、或电路元件；b.在所述的衬底上双靶共溅射沉积薄膜将清洗好的基片衬底放入腔室内,将真空抽至5×10-4Pa以下,以金属V靶、VO2或V2O5陶瓷靶和掺杂金属靶为靶材共溅射；所述掺杂金属靶为W、Nb、Mo、Ta中的任一种；所述的金属V靶、VO2或V2O5陶瓷靶用射频溅射沉积，溅射功率为30～200W,掺杂金属靶用直流溅射沉积，溅射功率为1～30W，在氩气或氩气和氧气混合气氛下,工作压力0.1～3Pa；沉积时间为500～3000s，在常温下共溅射沉积薄膜。c.将共溅射所得的薄膜退火将所得的共溅射薄膜放入管式炉中，密封，先利用机械泵抽取本底真空至1Pa以下，停本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高价金属阳离子（M）掺杂制备的B相VO2热敏薄膜，其特征在于，所述B相VO2热敏薄膜包括有衬底及高价金属阳离子 (M) 掺杂的B相VO2：所述衬底为石英玻璃、或单晶硅、或陶瓷基板、或电路元件；所述高价金属阳离子（M）的掺杂元素包括Nb、或Ta、或Mo、或W中任一种；并且所述掺杂元素总量为V元素的0.25 mol%～20 mol%，优选1.0 mol%～3.0 mol%；所述的掺杂元素为沿膜厚方向的均匀掺杂和梯度掺杂；掺杂薄膜厚度为50 nm～500 nm，优选的厚度为80 nm～200 nm。

【技术特征摘要】
1.一种高价金属阳离子（M）掺杂制备的B相VO2热敏薄膜，其特征在于，所述B相VO2热敏
薄膜包括有衬底及高价金属阳离子(M)掺杂的B相VO2：
所述衬底为石英玻璃、或单晶硅、或陶瓷基板、或电路元件；
所述高价金属阳离子（M）的掺杂元素包括Nb、或Ta、或Mo、或W中任一种；
并且所述掺杂元素总量为V元素的0.25mol%～20mol%，优选1.0mol%～3.0mol%；所
述的掺杂元素为沿膜厚方向的均匀掺杂和梯度掺杂；掺杂薄膜厚度为50nm～500nm，优选
的厚度为80nm～200nm。
2.一种高价金属阳离子（M）掺杂制备的B相VO2热敏薄膜的制备方法，其特征在于，具有
以下的过程和步骤:
a.清洗衬底
按常规清洗流程清洗；所述的衬底为单晶硅、或石英玻璃、或陶瓷基板、或电路元件；
b.在所述的衬底上双靶共溅射沉积薄膜
将清洗好的基片衬底放入腔室内,将真空抽至5×10-4Pa以下,以金属V靶、VO2或V2O5陶
瓷靶和掺杂金属靶为靶材共溅射；所述掺杂金属靶为W、Nb、Mo、...

【专利技术属性】
技术研发人员：高彦峰，万冬云，熊平，郭贝贝，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31