一种常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法；所述薄膜是以VO

【技术实现步骤摘要】
一种常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法
本专利技术涉及功能材料领域，具体涉及一种常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法；尤其涉及一种以VO2，Mg2V2O5为主要成分的常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法。
技术介绍
NTC热敏电阻它是一种负温度系数的热敏电阻，这种电阻值特性变现为随温度增大而减小。1940年以来，发现将某些过渡金属氧化物按照一定的比例混合，经过成型烧结以后，能够获得很大负电阻温度系数的半导体，这类氧化物半导体电阻温度系数在-(1-6)％/℃范围内。近年来研究NTC材料的有很多，有以氧化锌为主体材料的，也有以氧化锰为主体材料的。以二氧化钒为主体的玻璃态热敏电阻材料的研究却罕见报道。二氧化钒是一种典型的相变金属氧化物,单晶相变温度为68℃，继续升高温度，二氧化钒由半导体相转变为金属相，相变具有可逆性且存在着热滞。然而，在实际应用中要求其在室温热电阻温度系数(TCR)高，且没有热滞。目前国内外关于制备二氧化钒薄膜的研究有很多，物理制备方法可以分为直流磁控溅射，射频溅射法，脉冲激光沉积法、离子束增强沉积法等。化学制备方法大概可以分为化学气相沉积、溶胶凝胶法。这些方法制备的薄膜都是需要经历高温退火的过程，才能获得二氧化钒，制备薄膜需要掺杂其他元素的原子才能在室温条件获得TCR为-(2～4)％/℃热敏薄膜。目前公开的制备VO2薄膜或者金属元素掺杂VO2薄膜的专利有很多。但由于VO2薄膜的相变温度为67℃，在室温下TCR非常低。加上VO2薄膜本身存在3℃左右的相变热滞，不能直接应用红外测量领域。掺杂其他金属元素虽然可以调节相变温度，将相变温度调节接近室温，但是同时会大大降低TCR值，影响了薄膜的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种常温NTC热敏电阻薄膜及其制备方法。本专利技术采用共溅射的方法，利用Mg原子优异的还原性能，将+5价的V化合价降低，制备出以VO2，Mg2V2O5为主要成分的一种玻璃态的多混合材料。该材料在常温条件下(-30℃—30℃)具有电阻温度系数(TCR)高，材料常数Bn高，薄膜的电阻率低的特点。本专利技术的制备方法在高真空和室温条件下即可制备沉积NTC薄膜，方法更简单，快捷，高效，兼容各种硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、玻璃、蓝宝石、云母片，金属片、甚至柔性基底等各种衬底，无需高温退火，适合大规模生产，具有非常广阔的应用前景。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种常温NTC热敏电阻薄膜，所述薄膜是以VO2，Mg2V2O5为主要成分的一种玻璃态多混合材料。所述薄膜是由还原性金属靶和五氧化二钒靶进行共溅射制备而得的。更具体是在真空条件下，在衬底上对还原性金属靶和五氧化二钒靶进行共溅射沉积制得薄膜。进一步的，所述薄膜在-30℃～30℃条件下的电阻温度系数TCR为﹣(14％～5.5％)/℃，材料常数Bn为9100K～6200K，薄膜的电阻率为20～0.1Ω·cm。本专利技术还涉及一种常温NTC热敏电阻薄膜的制备方法，所述方法包括：在衬底上，通过磁控溅射镀膜或者离子束溅射镀膜，对还原性金属靶和五氧化二钒靶进行共溅射，制得所述常温NTC热敏电阻薄膜。进一步的，所述还原性金属靶包括金属镁靶、铝靶或锂靶。作为本专利技术的一个优选方案，采用金属镁靶。用其他具有还原性质的金属靶，比如Li，Al等靶材与V2O5共溅射理论上也可以制备VO2为主要成分的NTC薄膜。进一步的，加在金属镁靶和五氧化二钒靶上的功率比值为20～40:300。制备的薄膜中不同成分的比例和加在金属镁靶和五氧化二钒靶上的功率比值有关，通过调节加在两个靶材上的功率，可以调节薄膜成分的比例，从而可以调节薄膜电阻升降温热滞宽度，以及电阻率。进一步的，所述衬底包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、玻璃、蓝宝石、云母片，金属片、或柔性基底衬底。进一步的，共溅射是在真空条件下，通入高纯氩气进行辉光溅射。进一步的，所述共溅射是在真空达到5*10-4～1*10-6Pa时，通入高纯氩气至工作气压为0.5～5pa；待气压稳定后，还原金属(镁)靶功率20～100W，五氧化二钒靶功率100～300W进行预溅射1～5min；再以还原金属(镁)靶功率20～40W，五氧化二钒靶功率100W～300W，工作气压为0.5～5pa共溅射10～60min。进一步的，共溅射设备腔内的初始真空度为3*10-4Pa-1*10-7。该真空度的设置是为了防止镁在溅射过程中氧化。进一步的，所述共溅射在10℃～30℃下进行。进一步的，所述共溅射不需要再进行退火处理。本专利技术中，NTC热敏薄膜在室温下即可制备，不需要再进行退火处理环节，即使在不耐高温的透明柔性基底或玻璃基底上依然可以制备出NTC热敏薄膜。本专利技术的技术原理在于：在真空度高于5*10-4Pa的条件下，利用氩气辉光电离，同时轰击溅射高纯还原金属靶(Mg靶)和高纯V2O5靶。由于Mg原子具有非常好的还原性能，在共溅射成膜的过程中容易和氧结合生成MgO或Mg的其他形式化合物,从而会降+5价V的化合价，可以生成VO2,Mg2V2O5，等多种物质混合一种玻璃态的材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术在高真空的条件下，采用高纯金属镁靶和高纯五氧化二钒靶进行共溅射沉积薄膜，利用镁原子优异的还原性能，将五氧化二钒中﹢5价钒，降价还原﹢4制备得到玻璃态的多种物质混合的NTC热敏薄膜；薄膜成分由不同靶的功率调节控制，厚度可由溅射时间长短可调；当Mg与V原子比从7:93到60:40时，在硅衬底上均可以制备出成分比例不同的NTC薄膜；2)本专利技术制备得到的NTC薄膜以VO2,Mg2V2O5为主要成分；该材料在常温条件下(-30℃～30℃)电阻温度系数(TCR)在﹣(14％～5.5％)/℃之间，材料常数Bn在9100K～6200K之间，薄膜的电阻率在20～0.1Ω·cm；3)相比传统制备NTC薄膜方法相比，本专利技术制备薄膜更简单，快捷，高效，且兼容各种硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、玻璃、蓝宝石、云母片，金属片、甚至柔性基底等各种衬底；4)在目前公开的溅射制备VO2薄膜制备的技术中，制备的薄膜需要退火重新结晶，退火温度需要550-620℃，才能得到+4价V的氧化物薄膜。本专利技术在溅射过程中，镁将+5价的钒化合价成功降低到+4价，制备出的NTC薄膜不需要高温退火，结晶状况良好；5)制备出的NTC薄膜在室温条件下具有电阻温度系数高，热滞宽度小，薄膜电阻率低，材料常数高的特点，可以应用非制冷红外焦平面成像、开关电源，UPS电源，电子镇流器、温度传感器、自动调节加热器等领域。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的制备原理示意图；图2为实施例1中各薄膜样品的XRD测试结果；图3为当Mg与V原子比为7:93时，制备的薄膜中V的XPS检测结果；图4为当Mg与V原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常温NTC热敏电阻薄膜，其特征在于，所述薄膜是以VO

【技术特征摘要】
1.一种常温NTC热敏电阻薄膜，其特征在于，所述薄膜是以VO2，Mg2V2O5为主要成分的玻璃态多混合材料薄膜。


2.根据权利要求1所述的常温NTC热敏电阻薄膜，其特征在于，所述薄膜在-30℃～30℃条件下的电阻温度系数TCR为﹣(14％～5.5％)/℃，材料常数Bn为9100K～6200K，薄膜的电阻率为20～0.1Ω·cm。


3.一种如权利要求1所述的常温NTC热敏电阻薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在衬底上，采用磁控溅射镀膜或者离子束溅射镀膜，对还原性金属靶和五氧化二钒靶进行共溅射，制得所述常温NTC热敏电阻薄膜。


4.根据权利要求3所述的常温NTC热敏电阻薄膜的制备方法，其特征在于，所述还原性金属靶包括金属镁靶、铝靶或锂靶。


5.根据权利要求4所述的常温NTC热敏电阻薄膜的制备方法，其特征在于，加在金属镁靶和五氧化二钒靶上的功率比值为20～40:300。


6.根据权利要求3所述的常温NTC热敏电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：付学成，程秀兰，王英，乌李瑛，权雪玲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31