一种二氧化钒薄膜及其低温沉积方法技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钒薄膜及其低温沉积方法，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VOx，其中1.0≤x≤1.75。本发明专利技术使用的缓冲层（二氧化钒缺氧层（例如三氧化二钒层）），具有籽晶层与缓冲层的双重功能。以钒的三价氧化物三氧化二钒为例，三氧化二钒具有很宽的结晶温度区间，从室温到850℃均可自发结晶，这一性质为在三氧化二钒层上实现二氧化钒薄膜层的低温沉积奠定了基础。

A two vanadium oxide thin film and its low temperature deposition method

The present invention relates to two vanadium oxide films and its low-temperature deposition method, the two vanadium oxide thin films by magnetron sputtering in a buffer layer is formed on the substrate and two vanadium oxide film layer, the buffer layer is two vanadium oxide layer structure including hypoxia, the hypoxia layer for two vanadium oxide VOx, of which 1 = x = 1.75. The buffer layer used in the invention (two vanadium oxide anoxic layer (for example, three oxidation two vanadium layer)) has dual functions of the seed layer and the buffer layer. Taking vanadium trivalent oxide three oxidized two vanadium as an example, three oxidized two vanadium has a wide crystallization temperature range, which can spontaneously crystallize from room temperature to 850 C. This property lays the foundation for the low temperature deposition of two vanadium oxide thin film on three oxidation two vanadium layer.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钒薄膜及其低温沉积方法
本专利技术属于新型无机功能材料领域，具体涉及一种高结晶质量的二氧化钒薄膜以及利用磁控溅射在较低沉积温度下获得高结晶质量的二氧化钒薄膜的方法。
技术介绍
二氧化钒具有奇特的金属-绝缘体转变特性，在常温为半导体态，其光学性能表现为对太阳光中的红外部分呈现高透过；随着温度的升高，材料发生相变转变为金属态，进而光学性能表现为对太阳光红外部分呈现高反射。二氧化钒材料的这种在高低温下对红外光的调节作用，且可见光透过率能得以维持的性能有望实现在智能窗上的应用；其电导状态随温度的变化的性能有望实现在温度传感器、光电开关等方面的应用。由于二氧化钒材料的应用前景广阔，因此近年来该材料一直是材料研发的热点。关于二氧化钒薄膜制备及应用的研究自上世纪70年代以来便如雨后春笋般大量出现，在众多的合成方法中，物理溅射法由于具有大规模产业化的前景而备受关注。然而，溅射法的扩大生产仍存在诸多问题需要解决，其中最主要的问题之一就是二氧化钒薄膜较高的衬底温度(一般高于400℃)，不仅导致的较高的电耗，增加生产成本，而且对制备系统提出了较高的要求，增加大型设备的制造难度。已有的低温沉积工艺的研究都不可避免的需要后续退火处理，增加了工艺步骤，降低了薄膜的成品率。因此探究降低溅射过程中的衬底温度且无需退火的工艺势在必行。关于降低溅射温度的文献报道中，中国专利《一种二氧化钒薄膜的制备方法》(申请公布号CN103014701A)公开了一种利用原子层沉积的方法在较低温度下获得二氧化钒薄膜的工艺，制备过程衬底温度为300～350℃，然而原子层沉积的方法相对磁控溅射法沉积速率缓慢，生产效率极低。中国专利《一种二氧化钒薄膜低温沉积方法》(申请公布号CN105132877A)公开了一种利用引入基底负偏压的方法实现降低溅射过程中衬底温度的工艺，该专利技术衬底温度为240～260℃，但是基底偏压仅仅适用于特定小型手动设备中，大规模自动化生产中该参数为设备自动调节，无法人为引入，因此该方法适用面受限。H.Wang等在2006年的InfraredPhysics&Technology期刊上报道了低温200℃磁控溅射制备VO2薄膜的方法，然而该方法需要后续退火步骤，退火温度450℃以上，使得制备流程复杂化，且退火过程容易引入杂相，影响薄膜性能。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术利用薄膜外延生长的原理，通过在衬底与二氧化钒薄膜层之间插入一层缓冲层，其目的在于同一种高结晶质量的二氧化钒薄膜。一方面，本专利技术提供了一种二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VOx，其中1.0≤x≤1.75。本专利技术使用的缓冲层(二氧化钒缺氧层(例如三氧化二钒层))，具有籽晶层与缓冲层的双重功能。以钒的三价氧化物三氧化二钒为例，三氧化二钒具有很宽的结晶温度区间，从室温到850℃均可自发结晶，这一性质为在三氧化二钒层上实现二氧化钒薄膜层的低温沉积奠定了基础。二氧化钒缺氧层具有三氧化二钒相向二氧化钒相过渡的性质，因此也可以在二氧化钒缺氧层上实现二氧化钒薄膜层低温自发结晶。同时由二氧化钒缺氧层、二氧化钒层元素组成相同，晶格常数十分接近，因此二氧化钒缺氧层都是良好的制备二氧化钒层的缓冲层。较佳地，所述衬底可为透明衬底或不透明衬底，优选为玻璃、蓝宝石、单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛和金属单质中的一种。较佳地，所述缓冲层的厚度为2～100nm，优选为2～20nm。较佳地，所述二氧化钒薄膜层为纯相的单斜晶相或四方晶相二氧化钒，厚度为30～300nm。另一方面，本专利技术还提供了一种磁控溅射低温沉积上述二氧化钒薄膜的方法，其特征在于，包括：(1)以金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶为靶材、氩气为溅射气体、以及不采用氧气或以氧气为反应气体，在第一氧气分压下，于200℃～380℃下对所述靶材进行溅射以在衬底上溅射缓冲层，所述第一氧气分压为0～3％；(2)以金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶为靶材、氩气为溅射气体、以及氧气为反应气体，在高于第一氧气分压的第二氧分压下，于200℃～380℃下对所述靶材进行溅射以在缓冲层上溅射二氧化钒薄膜层，得到所述二氧化钒薄膜，所述第二氧分压为1％～5％。较佳地，步骤(1)中控制背底真空为5～10×10-5Pa；沉积全压0.5～5.0Pa；溅射功率50～15W；；溅射时间2～200分钟。较佳地，步骤(2)中控制背底真空为5～10×10-5Pa；沉积全压0.5～5.0Pa；溅射功率50～150W；溅射时间4～400分钟。本专利技术利用薄膜外延生长的原理，通过在衬底与二氧化钒薄膜层之间插入一层二氧化钒缺氧层，利用二氧化钒缺氧层的低沉积温度实现降低整个过程沉积温度的目的，从而在能较低温度(200℃～380℃)下获得具有性能优异的热致变色二氧化钒薄膜。本专利技术所述制备工艺中，制备缓冲层与二氧化钒层所使用的靶材可以相同(金属钒靶或氧化钒陶瓷靶)，因此可以实现通过氧压条件的控制连续化获得缓冲层与二氧化钒层。或者氧压条件可以相同，通过简单的更换靶材获得缓冲层与二氧化钒层。这两种方式特别有利于简化制备工艺，实现连续化生产。附图说明图1实施例1所述二氧化钒薄膜的XRD衍射花样；图2实施例1所述二氧化钒薄膜的高分辨透射电镜照片；图3实施例1所述二氧化钒薄膜及同样厚度的VO2薄膜的高低温光谱变化。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术外延生长原理在衬底(可为透明衬底或不透明衬底，优选为玻璃、蓝宝石、单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛和金属单质等)上制备一层缓冲层(二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VOx，其中1.0≤x≤1.75)，然后利用磁控溅射在较低的沉积温度下在缓冲层上外延生长二氧化钒层。其中所述缓冲层的厚度可为2～100nm，优选为2～20nm。缓冲层的选取主要是在保证致密前提下对红外光阻隔方面追求越低越好。厚度越厚时其光谱上对红外波段阻隔效应随膜厚增加愈专利技术显，反而不利于智能窗应用。所述二氧化钒薄膜层可为纯相的单斜晶相或四方晶相二氧化钒，厚度可为30～300nm。本专利技术所述方法流程简单，重复性强，适合二氧化钒薄膜产品放大生产。以下示例性地说明本专利技术提供的低温沉积二氧化钒薄膜的方法。本专利技术的制备方法为采用的制备方法为磁控溅射法，采用多功能磁控溅射系统，以金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶，抽真空，控制衬底温度，通入氩气和氧气分别作为溅射气体和反应气体来制备缓冲层。具体地，可采用多功能磁控溅射系统，以高纯度金属钒金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶(例如，制备三氧化二钒层时也可选用三氧化二钒靶材)为靶材(靶材尺寸由溅射设备确定，随设备靶枪大小调整)。背底真空可为5～10×10-5Pa。衬底温度可为200～380℃。通过控制Ar气流量30～50标况毫升每分(sccm)和氧气流量0～2sccm使其沉积全压0.5～5.0Pa、氧气分压0～3％。溅射功率为50～150w。溅射时间2～200min。本专利技术的制备方法为采用的制备方法为磁控溅射法，采用多功能磁控溅射系统，以金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钒薄膜，其特征在于，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VOx，其中1.0≤x≤1.75。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钒薄膜，其特征在于，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VOx，其中1.0≤x≤1.75。2.根据权利要求1所述的二氧化钒薄膜，其特征在于，所述衬底为玻璃、蓝宝石、单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛和金属单质中的一种。3.根据权利要求1或2所述的二氧化钒薄膜，其特征在于，所述缓冲层的厚度为2～100nm，优选为2～20nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的二氧化钒薄膜，其特征在于，所述二氧化钒薄膜层为纯相的单斜晶相或四方晶相二氧化钒，厚度为30～300nm。5.一种磁控溅射低温沉积如权利要求1-4中任一项所述二氧化钒薄膜的方法，其特征在于，包括：（1）以金属钒靶或/和氧化钒陶瓷靶为靶材、氩...

【专利技术属性】
技术研发人员：金平实，曹逊，孙光耀，李荣，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31