一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，包括：清洗衬底，将衬底至于脉冲激光沉积设备腔体内，通入氧气和氮气的混合物，待腔内气氛均匀稳定后，以氧化物的纯靶材，在衬底上进行脉冲激光沉积，沉积完成后，在同种气氛环境下进行退火。采用本发明专利技术的技术方案，通过调控外延生长时的气氛，实现氮元素的掺杂，无需选择特定的靶材即可实现掺杂氧化物薄膜的制备，方法简便有效；不涉及薄膜的二次处理，不会对已制备的高质量薄膜造成破坏。不会对已制备的高质量薄膜造成破坏。不会对已制备的高质量薄膜造成破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]氧化物薄膜材料对于现代科学技术的发展发挥了重要作用。目前已发展诸多技术用于制备功能氧化物薄膜，如溶液法、旋涂法、磁控溅射、分子束沉积、脉冲激光沉积等。其中，脉冲激光沉积技术（PLD）作为一种当下热门的薄膜外延生长手段，具有诸多优点，如薄膜结晶质量高、化学计量比稳定等。氮掺杂对于调控氧化物薄膜的功能行具有显著的作用，如调控二氧化钒薄膜的相变温度、开关比等。由于PLD技术常用于氧气环境下薄膜的外延生长，而对薄膜的氮掺杂，常采用掺氮靶材法，即选择已掺氮的靶材的手段，或采用一些后处理手段，如离子注入、氨化处理等方式。其中，掺氮靶材法是通过预先烧结掺杂氮元素的靶材再进行外延生长。离子注入主要是采用已制备的氧化物薄膜样品，将其置于高真空中，再通过N离子束轰击实现氮掺杂；氨化处理是将已制备的氧化物薄膜置于氨气气氛和高温条件下，实现氮的掺杂。
[0003]通过轰击掺杂氮的靶材虽然可以实现氧化物薄膜的掺杂外延生长，但是存在两个问题，首先，氮掺杂含量与靶材相同，因此，不同含量需要烧制不同靶材，无法在外延生长过程中实现连续可调；其次，某些靶材的掺氮后不易烧制，成本较未掺杂前高。后处理手段进行氮掺杂简单有效，但后处理手段往往会破坏原外延生长薄膜的结晶质量，影响薄膜的功能性能。目前在制备高外延质量的氮掺杂功能氧化物薄膜材料方面存在的瓶颈是，尚未有能实现原位氮掺杂生长的制备方法。氮气活性相较于氧气，活性较低，键能较强，常规气相沉积制备手段难以将氮气分离为氮离子并参与薄膜沉积过程。目前未见在PLD技术中进行引入氮气调控薄膜性能研究的相关内容公开。

技术实现思路

[0004]针对以上技术问题，本专利技术公开了一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，得到的薄膜具有高外延质量，且实现一定含量掺杂，从而实现功能氧化物薄膜的性能调控，并满足其在材料科学研究和工程应用的需求。
[0005]对此，本专利技术采用的技术方案为：一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，包括：清洗衬底，将衬底至于脉冲激光沉积设备腔体内，通入氧气和氮气的混合物，待腔内气氛均匀稳定后，以氧化物的纯靶材，在衬底上进行脉冲激光沉积，沉积完成后，在同种气氛环境下进行退火。
[0006]采用此技术方案，通过调控外延生长时PLD腔体内的气体环境，实现在外延生长高质量单晶氧化物薄膜的同时，实现氮的掺杂。由于脉冲激光轰击靶材表面，所迸发出的等离子体羽辉具有极高的能量，其与腔体内的氮气气体分子碰撞时，可将气体分子电离为原子、离子、电子的混合，并传输到基底材料表面，从而参与薄膜的外延生长。由于这是一种原位
生长技术，因此无需再进行掺杂后处理，有效低保证了薄膜的晶体质量。此外，通过合理调控腔内气氛，可以实行同一靶材，不同氮掺杂浓度的连续可调。
[0007]作为本专利技术的进一步改进，所述氧化物为二氧化钒。采用此技术方案，通过氮掺杂实现了二氧化钒薄膜的金属绝缘体转变温度的降低，并且掺杂浓度越高，相变温度的降低越多。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述衬底的材质为二氧化钛。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，脉冲激光沉积的条件参数为：温度380~420℃，腔内总气压15~25mTorr，激光能量密度1.0~1.2J/cm2，脉冲频率10 Hz。进一步优选的，脉冲激光沉积的条件参数为：温度400 ℃，腔内总气压20 mTorr，激光能量密度1.1 J/cm2，脉冲频率10 Hz。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，沉积完成后，在原外延气氛环境下保温5 min 后退火。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，通入氧气和氮气的混合物中，氧气和氮气的体积比为1:1。采用此技术方案，通过控制氧气和氮气的体积比为1:1，可以获得理想的金属绝缘体转变性能。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：第一，采用本专利技术的技术方案，通过调控外延生长时的气氛，实现氮元素的掺杂，无需选择特定的靶材即可实现掺杂氧化物薄膜的制备，方法简便有效；不涉及薄膜的二次处理，不会对已制备的高质量薄膜造成破坏。
[0013]第二，与现有其他技术相比，本专利技术技术方案制备的氮掺杂二氧化钒薄膜，不仅调控了金属绝缘体转变温度，还有效地提高晶体质量，该效果来自于氮气的引入，不仅为掺杂提供了氮源，还为薄膜生长过程提供内部内力，使其能降低晶格失配。特别是.在优化后的氮氧气氛条件下，氮掺杂二氧化钒具有较低的转变温度和保持较高的开关比，有望应用于高性能智能开关器件。
附图说明
[0014]图1是本专利技术实施例1~3与对比例1~2沉积的薄膜的XRD对比图。
[0015]图2是本专利技术实施例1~3与对比例1~2沉积的薄膜的微观形貌图。
[0016]图3是本专利技术实施例1~3与对比例1~2沉积的薄膜的XPS对比图。
[0017]图4是本专利技术实施例1~3与对比例1~2沉积的薄膜N含量的对比图。
[0018]图5是本专利技术实施例1~3与对比例1~2沉积的薄膜的阻温曲线。
[0019]图6是本专利技术实施例1与对比例3沉积的薄膜的XRD对比图。
[0020]图7是本专利技术实施例1与对比例3沉积的薄膜的阻温曲线。
具体实施方式
[0021]下面对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。
[0022]实施例1选用二氧化钛作为衬底，并进行清洗干燥。在沉积薄膜前，往PLD腔内通入气氛，并利用流量计调控进入腔内的氧气和氮气的比例，控制氧气和氮气的体积比为1:1，保持10 min，待腔内气氛均匀稳定后，将二氧化钒的纯靶材，借助脉冲激光沉积技术在二氧化钛衬
底上进行脉冲激光沉积，并且在薄膜沉积完成后，在该气氛环境下保温5 min 后，在同种气氛环境下退火。
[0023]实施例2在实施例1的基础上，本实施例中，氧气和氮气的体积比为2:1。
[0024]实施例3在实施例1的基础上，本实施例中，氧气和氮气的体积比为1:2。
[0025]对比例1在实施例1的基础上，本对比例中，通入的气体为纯氮气。
[0026]对比例2在实施例1的基础上，本对比例中，通入的气体为纯氧气。
[0027]实施例1~3和对比例1~2得到的薄膜的XRD对比图如图1所示，SEM对比图如图2所示，能谱对比图如图3所示，N含量的对比图如图4所示，可见在同氮氧比环境下，采用实施例的方法可以实现氮掺杂含量从0%
‑
4%左右的有效调控。
[0028]实施例1~3和对比例1~2得到的薄膜的阻温曲线如图5所示，可见，通过氮掺杂实现了二氧化钒薄膜的金属绝缘体转变温度的降低，并且掺杂浓度越高，相变温度的降低越多。在氮气和氧气体积比为1：1的条件下，可以获得理想的金属绝缘体转变性能。
[0029]对比例3在实施例1的基础上，本对比例的不同在于，氧气和氮气的比例在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：清洗衬底，将衬底至于脉冲激光沉积设备腔体内，通入氧气和氮气的混合物，待腔内气氛均匀稳定后，以氧化物的纯靶材，在衬底上进行脉冲激光沉积，沉积完成后，在同种气氛环境下进行退火。2.根据权利要求1所述的原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，其特征在于：脉冲激光沉积的条件参数为：温度380~420℃，腔内总气压15~25mTorr，激光能量密度1.0~1.2J/cm2，脉冲频率10 Hz。3.根据权利要求2所述的原位氮掺杂外延氧化物单晶薄膜的制备方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祖煌，林柏臣，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：