一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用技术

本发明专利技术公开了一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用，一种晶态氧化钒薄膜，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。本发明专利技术解决了非晶态氧化钒薄膜不透明的问题，经测试，透射率平均值可达50％以上(优选60—85％)，可应用于可见及近红外光学器件。

A crystalline vanadium oxide film and its preparation method and its application in visible and near infrared optical devices

The invention discloses an amorphous vanadium oxide film and its preparation method and in the visible and near infrared optical devices in the application of an amorphous vanadium oxide film, vanadium oxide thin films prepared by magnetron sputtering method as raw material, heat treatment of vanadium oxide thin films in the box furnace, vanadium oxide films after annealing after natural cooling to room temperature of 20~25 DEG C to obtain amorphous vanadium oxide thin film structure is compact and uniform wherein the furnace used during heat treatment in a standard atmospheric pressure and room temperature condition of 20~25 DEG C environment; heat treatment, since the room temperature of 20~25 DEG C to 3 to 5 DEG C / min heating rate the temperature to annealing temperature, the annealing temperature is 300 to 600 DEG C, the annealing time is 20 minutes to 80 minutes. The invention solves the problem of opaque vanadium oxide thin film. After testing, the average transmittance can reach over 50% (preferably 60 to 85%), which can be applied to visible and near infrared optical devices.

【技术实现步骤摘要】
一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用
本专利技术属于近红外光学器件领域，涉及一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用。
技术介绍
钒的氧化物体系十分复杂，拥有丰富的相变反应，相变前后材料的晶体结构、光学性质、电阻率等均会发生明显变化，通常具有从高温金属相到低温半导体相的转变特性。目前氧化钒薄膜的制备方法主要有电化学沉积、溶胶-凝胶、蒸发、溅射、脉冲激光沉积等，沉积的氧化钒薄膜一般呈非晶态，且室温下在可见光及近红外波段的透光率很低，因而很难直接用于可见及近红外光学器件。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶态氧化钒薄膜及其制备方法和在可见及近红外光学器件中的应用。本专利技术是通过以下技术方案加以实现的：一种晶态氧化钒薄膜，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。而且，制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。而且，制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。而且，热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟。而且，制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。而且，制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。而且，热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。与现有技术相比，本专利技术解决了非晶态氧化钒薄膜不透明的问题，经测试，透射率平均值可达50％以上(优选60—85％)，可应用于可见及近红外光学器件。附图说明图1为经不同时间热处理之前薄膜样品的XRD衍射图谱(1#～4#样品后来在500℃下分别经20、40、60、80分钟退火处理)。图2为经过300℃、400℃、500℃退火后样品的XRD图谱(A-300℃，B-400℃，C-500℃)。图3为不同温度下退火处理后氧化钒薄膜的透射谱(退火时间均为40分钟)。图4为500℃下经不同时间热处理之后薄膜样品的XRD衍射图谱(1#样品退火时间为20分钟，2#样品退火时间为40分钟，3#样品退火时间为60分钟，4#样品退火时间为分钟80分钟；●V2O5(200)，〇V6O13(200)，◆V2O5(110)，◇V2O5(001)，☆VO2(110)，□V4O9(210)，ΔVO2(-202)，■VO2(111)，▲V6O11(0-34))。图5为500℃下经不同时间退火处理的氧化钒薄膜形貌((a)20分钟，(b)40分钟，(c)60分钟，(d)80分钟)。图6为500℃下经不同时间退火处理的氧化钒薄膜透射率。具体实施方式以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提供的具体实施方式详述如下：实施例1使用FJL560CI2型超高真空磁控溅射设备制备氧化钒薄膜。溅射靶材选用直径50.9mm厚度3mm的氧化钒靶(纯度达99.99％)；样品基底分别选用光学玻璃和硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片；本底真空度：3×10-4Pa，溅射离子源工艺参数：溅射电压200V，溅射束流2A溅射能量400W。溅射镀膜的过程中通入纯度99.99％的高纯氩气作为工作气体。沉积时间为1小时。制备出的氧化钒薄膜再通过KSL1400X型高温退火炉在500℃进行退火处理。退火过程在一个大气压下，空气氛围内，升温速度为4℃/分钟的条件下进行。退火时间是影响和控制氧化钒薄膜结构和性能的主要因素，分别采用20分钟，40分钟，60分钟和80分钟四个值。实施例2用BrukerD8Advance型X射线衍射(XRD)分别测试分析薄膜在退火前(附图1)和退火后(附图2、4)的物相结构；利用SU8010型扫描电子显微镜测试分析样品表面形貌(附图5)，利用UV-3600多功能分光光度计测试分析薄膜的光学性能(附图3、6)。图1显示，所有样品在退火之前的X射线衍射图谱上没有明显的衍射峰。只是在25度附近有一个“馒头”峰，这主要是由非晶态琉璃基底对X射线温散射引起的结果。这表明，直接沉积得到的薄膜呈非晶态。图2中图谱上具有明显的衍射峰，说明热处理后薄膜均变为晶态。从图1、2可知，退火处理使氧化钒薄膜样品的X射线衍射图谱上出现明显的衍射峰，说明薄膜结构由非晶态转变为晶态，薄膜经退火处理不同沉积时间后均生成了晶体，这与直接沉积未经退火的薄膜样品呈非晶态有很大差别。在沉积时，由于基体温度较低，参与成膜的原子能量较低，以无序状态到达基底后呈非晶态。退火可改变薄膜的界面张力、表面能及界面能，还会使原子重新排布、重新成键，从而改变薄膜的晶格结构。薄膜经高温退火处理后，V-O键重新结合，从而使薄膜结晶。图3给出了300、400和500℃下退火40分钟后薄膜的透射谱。为便于对比，也给出了直接沉积得到、未经退火处理的薄膜的透射谱线。可以看到，直接沉积的氧化钒薄膜退火前在近红外区域的透射率都较低，基本不透明，这是由于在直接沉积的薄膜内部，存在少量金属钒，对可见光及近红外光的吸收大，因而透射率低。经300-500℃退火处理后，薄膜的透射率明显得到改善，且退火温度越高，透射率越高。这是因为在较高温度退火过程中，薄膜内的金属成分被氧化，对光的吸收率减小，透射率增大。考虑到基底玻璃对温度的限制，不宜采用更高的退火温度，500℃退火应当是最佳选择。从图4可以明显看到钒氧化物不同物相的衍射峰，当退火温度为40分钟时，即2#样品中，获得的物相组成相对简单，且具有五氧化二钒相的(001)晶面择优取向。图5表明，当退火时间为20分钟时，薄膜结构中晶粒较为均匀，但仍然存在一些小孔洞致使组织不致密；退火时间为60分钟时，组织较致密但晶粒大不不均匀；退火时间为80分钟时，晶粒明显长大，且组织中也出现一些小孔洞；而当退火时间为40分钟时，薄膜的晶粒均匀且组织致密度高。图4显示，退火时间为40分钟所得到的薄膜对近红外光的透射率高，最大值达87.5％。图6给出了经500℃四种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟；经测试，薄膜对近红外光的透射率平均值可达50％以上。

【技术特征摘要】
1.一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中对氧化钒薄膜进行热处理，氧化钒薄膜经退火后自然冷却至室温20～25℃即可得到结构致密均匀的所述的晶态氧化钒薄膜，热处理时用到的箱式炉处于一个标准大气压和室温20～25℃条件的环境中；进行热处理时，自室温20～25℃下以3℃～5℃/分钟的升温速度升温至退火温度，退火温度为300℃～600℃，退火时间为20分钟～80分钟；经测试，薄膜对近红外光的透射率平均值可达50％以上。2.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，样品基底分别选用光学玻璃或者硅片，光学玻璃为长为3cm，宽为3cm的K9双面抛光玻璃片，硅片为单晶硅片。3.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：制备氧化钒薄膜时，本底真空度3～3.5×10-4Pa，溅射电压200～220V，溅射束流2A，溅射能量400～450W，制备过程中通入纯度99.99％的高纯氩气，沉积时间为0.8～1.5小时。4.根据权利要求1所述的一种晶态氧化钒薄膜，其特征在于：热处理时，退火温度为400～500℃，退火时间为20～40分钟。5.一种晶态氧化钒薄膜的制备方法，包括以下过程：利用磁控溅射方法制备出的氧化钒薄膜为原料，在箱式炉中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄美东，张鹏宇，张建鹏，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：天津,12