摻鎢VO2薄膜的電致相變特性?

張嬌 李毅2) 劉志敏 李政鵬 黃雅琴裴江恒 方寶英 王曉華3) 肖寒4)

1)(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

2)(上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)

3)(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,上海 200090)

4)(上海健康醫(yī)學(xué)院影像學(xué)院,上海 201318)

摻鎢VO2薄膜的電致相變特性?

張嬌1)李毅1)2)?劉志敏1)李政鵬1)黃雅琴1)裴江恒1)方寶英1)王曉華1)3)肖寒1)4)

1)(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

2)(上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)

3)(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,上海 200090)

4)(上海健康醫(yī)學(xué)院影像學(xué)院,上海 201318)

摻鎢VO2薄膜,電致相變,閾值電壓,光透過率

1 引 言

二氧化釩(VO2)是一種具有特殊相變性能的材料,當(dāng)溫度升高到68°C時(shí),VO2能在短時(shí)間內(nèi)完成半導(dǎo)體-金屬相的轉(zhuǎn)變,晶體由單斜金紅石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇鸺t石結(jié)構(gòu),且相變過程是可逆的[1].在相變前后,VO2的電導(dǎo)率、磁化率、光透過率等特性表現(xiàn)出較大的差異.目前研究表明,摻入W,Mo,Nb,Ti等高價(jià)態(tài)元素能有效降低VO2的相變溫度,其中摻鎢的效果最為明顯.實(shí)驗(yàn)證明,每摻雜1%(原子數(shù)分?jǐn)?shù))的鎢,VO2的相變溫度約下降22°C,摻鎢可使VO2薄膜的相變溫度更接近室溫[2?7].值得關(guān)注的是,摻鎢也在很大程度上對薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生影響.Paone等[8]使用熱蒸鍍和反應(yīng)磁控濺射法制備摻鎢VO2薄膜,均檢測到相變前后薄膜電阻接近兩個(gè)數(shù)量級的變化.Takami等[9]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摻鎢導(dǎo)致載流子濃度的增加,改變了庫侖斥力能,使薄膜的金屬態(tài)更加穩(wěn)定.此外,劉冬青等[10]研究發(fā)現(xiàn),隨著摻鎢量的增加,摻鎢VO2薄膜的發(fā)射率降低.熱激勵(lì)只是誘發(fā)摻鎢VO2薄膜相變的方式之一,光激勵(lì)相變也逐漸吸引了研究者的目光[11].Okuyama等[12]通過分析X射線對薄膜衍射強(qiáng)度的影響,提出光致輻照誘導(dǎo)摻鎢VO2薄膜相變的機(jī)理.Xiao等[13]利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)研究了摻鎢對VO2薄膜光致相變的影響.摻鎢VO2薄膜具有良好的相變性能,然而熱激勵(lì)對溫控的精確度要求高,難以實(shí)現(xiàn)微型化和集成化;光激勵(lì)對光源也有特殊要求,限制了光激勵(lì)在高速光電器件中的應(yīng)用.

近年來,人們開始探索VO2的電激勵(lì)相變特性[14?16].Zhou等[17]制備了金屬/VO2/金屬結(jié)構(gòu)的納秒級高速光開關(guān)器件.Markov等[18]基于近場等離子耦合,研究了混合型Si-VO2-Au結(jié)構(gòu)的光調(diào)制器.由于VO2自身的電導(dǎo)率較低,應(yīng)用于光電器件時(shí)往往需要導(dǎo)電性能良好的基底作為輔助,而常用的金屬或硅基底會造成薄膜質(zhì)量下降以及相變遲滯嚴(yán)重等問題,極大地影響了器件的性能.Soltani等[19,20]在藍(lán)寶石基底上制備了平面結(jié)構(gòu)的電壓驅(qū)動摻鎢VO2微光開關(guān),對1.55μm光信號進(jìn)行測試,消光比高達(dá)28 dB.在此基礎(chǔ)上又研發(fā)出微光開關(guān)陣列,兼?zhèn)淇煽匦愿吆鸵子诩傻奶攸c(diǎn),但仍面臨相變閾值電壓過高的問題.

為了深入探究摻鎢VO2薄膜在電壓誘導(dǎo)相變前后的光電性能,本文采用直流磁控濺射與后退火工藝相結(jié)合的方法制備摻鎢VO2薄膜,并選用摻氟SnO2(FTO)導(dǎo)電玻璃為基底.FTO不僅具有良好的導(dǎo)電性能,減小了表面接觸電阻對摻鎢VO2薄膜電學(xué)性能的影響,還具備優(yōu)異的耐熱性能,經(jīng)高溫退火工藝處理后仍保持穩(wěn)定.此外,FTO在可見光波段的透過率高于80%[21,22].這些特性使FTO能夠在摻鎢VO2薄膜與玻璃之間充當(dāng)有效的緩沖層.在此基礎(chǔ)上,本文研究了摻鎢VO2薄膜在電激勵(lì)作用下的相變特性,并與未摻雜VO2薄膜進(jìn)行對比,測試了相變前后薄膜光學(xué)性能的變化,進(jìn)一步分析了溫度對薄膜相變閾值電壓的影響.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用JC500-3/D型磁控濺射設(shè)備(配有FTM-V型膜厚檢測儀),選用按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.4%均勻摻鎢的鎢釩合金靶,通入純度為99.999%的氬氣制備摻鎢VO2薄膜,在SX2-4-10型箱式退火爐中完成后退火工藝.實(shí)驗(yàn)分別選用玻璃和導(dǎo)電膜厚約為300 nm的FTO透明導(dǎo)電玻璃為基底,在SK3300H型超聲波清洗機(jī)中經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水清洗后,用高純氮?dú)獯蹈?磁控濺射前預(yù)先抽真空,使反應(yīng)腔內(nèi)的真空度達(dá)到3.0×10?3Pa.氣體流量計(jì)控制通入的氬氣流量為80 mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),濺射時(shí)反應(yīng)腔內(nèi)真空度穩(wěn)定在3.0×10?1Pa,設(shè)置工作電壓400 V,工作電流2 A.摻鎢金屬釩薄膜制備完成后,將其放入箱式退火爐,在400°C的空氣氣氛中進(jìn)行熱氧化退火,通過比較不同退火時(shí)間的薄膜樣品性能,最終優(yōu)選出最佳退火時(shí)間為2.5 h.此外,選用純度為99.99%的金屬釩靶,采用上述工藝條件,分別在玻璃和FTO透明導(dǎo)電玻璃基底上制備膜厚約為300 nm的VO2薄膜.

利用PHI-5000C ESCA型X射線光電子能譜儀對薄膜進(jìn)行表面元素成分分析,運(yùn)用Mini flex 600型X射線衍射儀進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)檢測,使用ZEISS MERLIN Compact型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表面和橫截面形貌觀測,采用XE-100型原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行表面粗糙度測量,用RTS-8型四探針測試儀和KER3100-08S型精密恒溫臺進(jìn)行薄膜電阻的變溫測試.此外,為了研究摻鎢VO2薄膜的電致相變特性,我們分別在FTO和摻鎢VO2膜層上制備Au電極連接點(diǎn),采用Keithley 4200-SCS型半導(dǎo)體參數(shù)儀在不同溫度下對樣品的電流-電壓(I-V)特性進(jìn)行分析.最后用Lambda 1050型UV/VIS/NIR分光光度計(jì)測試樣品的光學(xué)透過率.

3 結(jié)果與討論

圖1為摻鎢VO2薄膜在0—1100 eV范圍內(nèi)的X射線光電子能譜(XPS).通過比照結(jié)合能數(shù)據(jù)庫,標(biāo)定測試樣品的表面只存在氧、釩、碳和鎢四種元素.圖1(b)和(c)中紅色線為基線，藍(lán)色線和綠色線為分峰處理的結(jié)果.從圖1(a)可知,結(jié)合能為533.2 eV的峰為O-1s,位于512.0—526.0 eV的峰對應(yīng)V-2p的峰值.而位于結(jié)合能286.3 eV處的C-1s峰,是由表面吸附的雜質(zhì)引起的.由于摻鎢的比例較小,結(jié)合能35.8 eV對應(yīng)的W-4f峰較弱.對V-2p采用高斯擬合的方法進(jìn)行分峰處理,結(jié)果如圖1(b)所示,在薄膜表面結(jié)合能516.2和517.3 eV處對應(yīng)的V離子主要存在于VO2中;結(jié)合能524.5 eV處的V-2p1/2峰,釩氧化物以V2O5的形式存在,少量的V2O5是薄膜在高溫退火過程中表面過度氧化引起的.圖1(c)為摻鎢VO2薄膜中W-4f的分峰擬合,結(jié)合能35.6和37.8 eV分別對應(yīng)同一價(jià)態(tài)的W-4f7/2和W-4f5/2,均表現(xiàn)為+6價(jià).

圖2為VO2/FTO薄膜和摻鎢VO2/FTO薄膜的X射線衍射(XRD)圖譜. 對于透明導(dǎo)電玻璃基底上的FTO薄膜,SnO2的衍射峰出現(xiàn)在27.257°,34.403°,38.441°,52.084°,55.260°,62.018°,66.081°和81.203°. 與ICSD卡片比照,8個(gè)晶面的峰位角基本符合(PDF No.77-0447),可知F對SnO2的摻雜并沒有改變其晶相和四方金紅石結(jié)構(gòu).對比圖2(a)和圖2(b),兩者與FTO對應(yīng)的衍射峰位基本一致,VO2薄膜和摻鎢VO2薄膜生長時(shí),均在單一角度出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰,具有擇優(yōu)取向晶面(110)的特點(diǎn)(PDF No.31-1438).從圖2(c)可以看出,略有不同的是VO2在25.287°處出現(xiàn)(110)晶面的峰位角,而摻鎢VO2表征(110)晶面的峰位角為25.182°.通過布拉格定律對兩種薄膜在(110)晶面的峰位角計(jì)算可得,VO2和摻鎢VO2的晶面間距分別為0.3519和0.3534 nm.此外,通過XRD沒有檢測到屬于WO3的衍射峰,說明鎢摻雜進(jìn)入VO2的晶格.由此可以推測,高價(jià)態(tài)W6+在VO2中以替位摻雜的形式存在,改變了VO2的晶體結(jié)構(gòu),破壞V4+—V4+鍵的結(jié)合,而V原子半徑小于W原子半徑,故表現(xiàn)出晶面間距的不同.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)摻鎢VO2薄膜的XPS圖譜 (a)摻鎢VO2薄膜寬程掃描譜;(b)摻鎢VO2薄膜中V-2p的分峰擬合;(c)摻鎢VO2薄膜中W-4f的分峰擬合Fig.1. (color online)XPS pro files of W-doped VO2 film:(a)Full spectrum scanning on the W-doped VO2 film;(b)peak fitting for V-2p on the W-doped VO2 film;(c)peak fitting for W-4f on the W-doped VO2 film.

摻鎢VO2/FTO薄膜表面和截面形貌的SEM圖像如圖3所示.由圖3(a)可知,薄膜表面結(jié)晶致密,分布均勻,晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則片狀且孔洞和空隙較少,表明薄膜質(zhì)量較高.從截面形貌圖可以看出,所制備的摻鎢VO2/FTO薄膜結(jié)構(gòu)明晰,上層摻鎢VO2薄膜厚度約為310 nm,FTO緩沖層厚度約為300 nm.由于FTO具有耐高溫的特點(diǎn),對復(fù)合薄膜進(jìn)行后退火工藝處理后并沒有破環(huán)FTO的結(jié)構(gòu)及性能,兩層薄膜間未出現(xiàn)相互滲透和融合的現(xiàn)象.

圖4所示為以玻璃和FTO透明導(dǎo)電玻璃為基底制備的摻鎢VO2薄膜的AFM圖像.圖4(a)和圖4(b)中樣品的表面均方根粗糙度分別為7.887和10.504 nm,表現(xiàn)出明顯的差異.對比可知,FTO有效地緩解了薄膜與玻璃基底之間的應(yīng)力,生長在FTO薄膜表面的摻鎢VO2薄膜,膜層較為平整,晶粒間空隙較小.同時(shí),FTO與VO2晶體都具有四方金紅石結(jié)構(gòu),相似的晶格常數(shù)和較高的匹配程度易于上層薄膜的成核和生長.

圖3 摻鎢VO2/FTO薄膜的SEM圖像 (a)表面SEM圖像;(b)橫截面SEM圖像Fig.3.SEM images of W-doped VO2 film on FTO:(a)Surface SEM image;(b)cross-sectional SEM image.

進(jìn)一步對比在FTO透明導(dǎo)電玻璃基底上制備的VO2薄膜和摻鎢VO2薄膜的特性.VO2/FTO薄膜和摻鎢VO2/FTO薄膜的電阻-溫度變化曲線如圖5(a)所示.可以看出,隨著溫度升高,薄膜的電阻逐漸降低,前期變化緩慢,當(dāng)達(dá)到相變溫度點(diǎn)時(shí)電阻發(fā)生突變,相變前后電阻變化量均接近三個(gè)數(shù)量級.降溫過程中薄膜的電阻變化與升溫時(shí)相反,在相變溫度附近電阻急劇增大,表現(xiàn)出相變的可逆性.圖5(b)和圖5(c)是對電阻-溫度的變化率進(jìn)行高斯擬合的結(jié)果,由圖可知,VO2/FTO薄膜的相變溫度約為49°C,而摻鎢VO2薄膜的相變溫度僅為32°C,相比于VO2薄膜,相變溫度顯著降低.一方面,由于FTO透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)熱性比普通玻璃基底更好,可加快傳遞VO2相變所需要的熱能.另一方面,FTO與VO2的晶體結(jié)構(gòu)極為相似,有效避免了VO2薄膜生長過程中晶格失配和缺陷較多的問題,減小了VO2薄膜與基底接觸面的界面能,同時(shí)降低了薄膜的內(nèi)應(yīng)力,這些因素導(dǎo)致相變溫度的降低.此外,摻鎢改變了VO2/FTO薄膜的晶界和孔隙分布,薄膜的熱滯回線寬度由10°C收窄至5°C,熱滯回線寬度較小有利于薄膜的相變性能保持穩(wěn)定.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)AFM圖像 (a)摻鎢VO2/FTO薄膜;(b)摻鎢VO2/玻璃薄膜Fig.4.(color online)AFM images:(a)W-doped VO2 film on FTO;(b)W-doped VO2 film on glass.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)摻鎢VO2/FTO薄膜和VO2/FTO薄膜的電阻-溫度變化曲線 (a)電阻-溫度變化曲線;(b)高斯擬合VO2/FTO電阻變化率-溫度曲線;(c)高斯擬合摻鎢VO2/FTO電阻變化率-溫度曲線Fig.5.(color online)Resistance-temperature curves of W-doped VO2 film on FTO and VO2 film on FTO:(a)Resistance-temperature curves;(b)Gauss fitting curves of VO2 film on FTO;(c)Gauss fitting curves of W-doped VO2 film on FTO.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相變前后摻鎢VO2/FTO薄膜的電阻始終小于未摻雜的薄膜.室溫下,Rajeswaran等[23]曾用霍爾效應(yīng)測試摻鎢VO2薄膜,發(fā)現(xiàn)載流子濃度隨著摻鎢量的增加而升高,這表明摻鎢不僅使VO2的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,也對載流子濃度有直接影響.W6+攜帶兩個(gè)多余的價(jià)電子,替位摻雜產(chǎn)生的新氧化物對電子束縛能力較弱,只需要外界提供較低的能量就足以躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶,使費(fèi)米能級偏離禁帶中央,從而增加了導(dǎo)帶中載流子的濃度[24].因此,摻鎢VO2薄膜具有更加優(yōu)越的導(dǎo)電性能和更接近于室溫的相變溫度.

為了測試薄膜的電致相變特性,我們制備了圖6所示測試結(jié)構(gòu).基底為10 mm×7 mm的矩形FTO透明導(dǎo)電玻璃,FTO膜層擔(dān)任緩沖層和底電極的角色,與頂層摻鎢VO2薄膜的接觸面積為7 mm×7 mm,分別在FTO和摻鎢VO2膜層上制備長和寬均為1 mm的Au電極連接點(diǎn),測試時(shí)施加垂直于膜層的電壓.在室溫25°C下,對膜厚相同的摻鎢VO2/FTO薄膜和VO2/FTO薄膜分別施加0—8 V電壓,使用4200-SCS型半導(dǎo)體參數(shù)儀測試I-V特性曲線.如圖6所示,隨著施加電壓逐漸增大,達(dá)到某個(gè)閾值時(shí),平緩增長的電流在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變,電流變化約為兩個(gè)數(shù)量級,兩種薄膜都有類似的變化趨勢,但電流突變的幅度略有不同.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),薄膜相變前后存在電流遲滯現(xiàn)象,這與電致相變的顯著特征一致,其中,VO2/FTO薄膜的電流遲滯現(xiàn)象更為明顯.摻鎢VO2/FTO薄膜和VO2/FTO薄膜發(fā)生相變的閾值電壓分別為4.2和6.0 V.通過對比可知,摻雜的薄膜具有電阻率低和相變閾值電壓低的特點(diǎn),展現(xiàn)出優(yōu)于VO2薄膜的電致相變特性.這種現(xiàn)象是由摻鎢引起的,摻雜使VO2晶粒中載流子濃度增加,在施加較低電壓的情況下,載流子濃度迅速達(dá)到臨界值,從而誘導(dǎo)VO2/FTO薄膜發(fā)生相變.

圖6 室溫下?lián)芥uVO2/FTO薄膜和VO2/FTO薄膜的I-V特性曲線Fig.6.I-V characteristics of W-doped VO2 film on FTO and VO2 film on FTO at room temperature.

此外,分別在25,30,35,40,45°C條件下,對摻鎢VO2/FTO薄膜施加0—8 V電壓,進(jìn)行I-V特性曲線測試,結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出,25°C時(shí)電流突變的閾值電壓為4.2 V,而30與35°C對應(yīng)的閾值電壓分別為3.6和3.1 V,說明溫度越高,相變閾值電壓越低.進(jìn)一步分析可知,當(dāng)溫度低于相變溫度或在其附近時(shí),隨著溫度的升高,電流突變幅度呈現(xiàn)下降趨勢.當(dāng)外界溫度遠(yuǎn)高于熱致相變溫度時(shí),薄膜已經(jīng)發(fā)生半導(dǎo)體-金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變,呈金屬態(tài),具有良好的導(dǎo)電性能,電流表現(xiàn)出平穩(wěn)上升的趨勢,幾乎觀察不到突變現(xiàn)象.施加相同電壓時(shí),室溫條件下測得的電流始終小于升溫時(shí)的電流,且隨著溫度升高,電流變化趨于平緩.

對摻鎢VO2/FTO薄膜施加電激勵(lì)或熱激勵(lì)均有促成相變的作用.根本原因在于外加激勵(lì)使能帶的載流子填充發(fā)生變化,當(dāng)載流子濃度高于臨界值時(shí),VO2處于金屬相,而低于臨界值時(shí)處于半導(dǎo)體相,從而導(dǎo)致鎢摻雜VO2/FTO薄膜在相變前后光電性能出現(xiàn)顯著的差異.低溫時(shí),隨著施加電壓的增加,電場強(qiáng)度逐漸增大,晶粒中的載流子濃度升高,當(dāng)部分晶粒的載流子濃度達(dá)到臨界值時(shí),電阻率急速下降,可觀測到明顯的電流突變現(xiàn)象,且電流突變幅度較大.而高溫時(shí),大部分晶粒受到電壓和溫度的雙重影響,已經(jīng)發(fā)生相變,薄膜處于穩(wěn)定的金屬態(tài),電流整體表現(xiàn)出增大趨勢,但突變幅度減小.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同溫度下?lián)芥uVO2/FTO薄膜的I-V特性曲線Fig.7.(color online)I-V characteristics of W-doped VO2 film on FTO at different temperatures.

圖8為對摻鎢VO2薄膜施加0和8 V電壓時(shí),分別在20,30,40,50°C條件下測得400—2200 nm范圍內(nèi)的透射光譜.由圖8(a)可知,摻鎢VO2薄膜的最大透過率為47%.當(dāng)無電壓激勵(lì)而僅施加熱激勵(lì)時(shí),在20與30°C條件下,薄膜的透過率最多下降2.7%,在30—40°C范圍內(nèi),薄膜在近紅外波段的透過率卻有明顯下降,進(jìn)一步測試確定熱致相變溫度與電阻突變測得的結(jié)果相符.當(dāng)施加8 V電壓時(shí),不同溫度下的透過率均有較為明顯的降低,其中20和30°C時(shí)1100—1500 nm波段內(nèi)透過率下降最大可達(dá)23%和22%.由于此時(shí)未達(dá)到薄膜的相變溫度,分析可知薄膜透過率的大幅度降低主要是電致相變的結(jié)果,外加電壓使載流子的濃度升高,遷移速度變快,而摻鎢也有助于提高薄膜對紅外光產(chǎn)生的屏蔽作用[25].此外,實(shí)驗(yàn)測得摻鎢VO2薄膜在20和30°C的相變閾值電壓分別為5.1和3.6 V,說明溫度越低,誘導(dǎo)薄膜相變的閾值電壓越高.當(dāng)外加電壓高于閾值電壓時(shí),大部分晶粒已經(jīng)發(fā)生相變,薄膜呈現(xiàn)穩(wěn)定的金屬態(tài),升高溫度對薄膜的透過率影響不大.施加相同電壓的條件下,40—50°C時(shí)測得的透過率是相變后的結(jié)果,透過率變化不明顯,僅有微弱的下降.綜合溫度和電壓兩種因素,施加8 V電壓,50°C時(shí)近紅外波段的透過率變化幅度最大可達(dá)27%,進(jìn)一步表明電激勵(lì)和熱激勵(lì)均會誘發(fā)摻鎢VO2薄膜相變.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)摻鎢VO2薄膜的透過率-波長變化曲線Fig.8.(color online)Optical transmittance spectra of W-doped VO2 film.

4 結(jié) 論

本文采用直流磁控濺射法和后退火工藝,在FTO透明導(dǎo)電玻璃基底上成功制備了高質(zhì)量且性能良好的摻鎢VO2薄膜.相變前后薄膜的電阻有接近三個(gè)數(shù)量級的突變,薄膜的相變溫度約為32°C.與未摻雜的VO2薄膜相比,摻鎢薄膜的的相變溫度更接近于室溫,電阻率更低.我們重點(diǎn)研究了摻鎢VO2薄膜的I-V特性曲線,對薄膜施加0—8 V電壓,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓達(dá)到4.2 V時(shí),電流約有兩個(gè)數(shù)量級的顯著突變,出現(xiàn)電壓誘導(dǎo)相變現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上,分別在25,30,35,40,45°C條件下測試了薄膜的電流變化,結(jié)果表明升溫對電致相變有影響,溫度越高,相變需要的閾值電壓越低,高溫時(shí)薄膜處于穩(wěn)定的金屬態(tài),電壓誘導(dǎo)相變的特征不明顯.此外,研究發(fā)現(xiàn)電致相變前后薄膜的光學(xué)透過率有突變現(xiàn)象.對薄膜施加8 V電壓,20和30°C時(shí)在1100—1500 nm波段內(nèi)透過率下降最大可達(dá)23%和22%,而50°C時(shí)透過率下降27%.綜上所述,摻鎢VO2薄膜具備良好的電致相變性能,且具有制備成本低、工藝簡單等優(yōu)勢,在光電集成器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值.

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Characteristics of electrically-induced phase transition in tungsten-doped vanadium dioxide film?

Zhang Jiao1)Li Yi1)2)?Liu Zhi-Min1)Li Zheng-Peng1)Huang Ya-Qin1)Pei Jiang-Heng1)Fang Bao-Ying1)Wang Xiao-Hua1)3)Xiao Han1)4)

1)(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)
2)(Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System,Shanghai 200093,China)
3)(School of Electronic and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)
4)(College of Medical Imaging,Shanghai University of Medicine and Health Sciences,Shanghai 201318,China)

29 March 2017;revised manuscript

14 August 2017)

The phase transition characteristics of tungsten-doped vanadium dioxide film driven by an applied voltage are studied in the paper.A high-quality film is successfully deposited on an FTO(F:SnO2)transparent conductive glass substrate by direct current magnetron sputtering and post-anneal processing.First of all,an FTO substrate is placed in the chamber of magnetron sputtering system after being cleaned and dried.Then W-doped vanadium film is fabricated on the substrate with V-W alloy target with 1.4%W by mass fraction.In the process of magnetron sputtering,the operating pressure is kept at 3.0×10?1Pa,and the operating voltage and current are 400 V and 2 A,respectively.Finally,W-doped VO2film with a thickness of about 310 nm is prepared by being annealed at 400°C in air atmosphere for 2.5 h.In order to explore the crystal structure,element constituents,surface morphology,roughness and photoelectric properties of W-doped vanadium dioxide film,it is respectively characterized by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscope(SEM),atomic force microscope(AFM)and semiconductor parameter analyzer.The XPS analysis con firms that there are no other elements except vanadium,oxygen,carbon and tungsten on the surface of W-doped VO2film.The XRD patterns illustrate that tungsten-doping exerts an in fluence on the crystal lattice of VO2,but the film still prefers the orientation(110).The SEM and AFM images display that the film with low roughness has a compact structure and irregular crystal particles.Tungsten-doping is found to be able to improve the surface morphology of VO2thin film significantly.In addition,a remarkable change in electrical resistivity and a narrow thermal hysteresis loop are also obtained in the metal-semiconductor phase transition.Further,the in fluences of tungsten-doping on the phase transition properties of the film are analyzed.The experiment demonstrates that the threshold voltage at which the phase transition of W-doped VO2film occurs is 4.2 V at room temperature when the film is driven by an applied voltage ranging from 0 V to 8 V.It can be observed clearly that the current changes abruptly by two orders of magnitude.As the ambient temperature rises,the threshold voltage of phase transition drops and the current varies slightly.The optical transmittance curves show the distinct differences under applied voltage at different temperatures.It is found that the infrared transmittance difference reaches up to a maximal value of 27%at 50°C during phase transition,while it increases by only 23%at 20°C in a wavelength range of 1100—1500 nm.All these outstanding features indicate that W-doped VO2film has excellent properties of electrically-induced phase transition.Compared with undoped-VO2film,the W-doped VO2film is predicated to have a wide range of applications in the high-speed optoelectronic devices due to its advantages of lower phase transition temperature,resistivity and threshold voltage.

tungsten-doped VO2film,electrically-induced phase transition,threshold voltage,optical transmittance

PACS:81.05.–t,72.80.Ga,71.30.+h,68.55.–aDOI:10.7498/aps.66.238101

*Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2006AA03Z348),the Foundation for Key Program of Ministry of Education,China(Grant No.207033),the Science and Technology Research Project of Shanghai Science and Technology Commission,China(Grant No.06DZ11415),the Key Science and Technology Research Project of Shanghai Education Committee,China(Grant No.10ZZ94),and the Shanghai Talent Leading Plan,China(Grant No.2011-026).

?Corresponding author.E-mail:liyi@usst.edu.cn

(2017年3月29日收到;2017年8月14日收到修改稿)

采用直流磁控濺射與后退火工藝相結(jié)合的方法,在摻氟SnO2(FTO)導(dǎo)電玻璃基底上制備了高質(zhì)量的摻鎢VO2薄膜,對薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和光電特性進(jìn)行測試,分析了鎢摻雜對其相變性能的影響.結(jié)果表明,室溫下?lián)芥uVO2薄膜的閾值電壓為4.2 V,觀察到閾值電壓下約有兩個(gè)數(shù)量級的電流突變.隨著溫度升高,相變的閾值電壓降低,且電流突變幅度減小.當(dāng)施加8 V電壓時(shí),分別在不同溫度下測試了摻鎢VO2薄膜的透過率.溫度為20和50°C時(shí),摻鎢VO2薄膜相變前后的紅外透過率差量分別為23%和27%.與未摻雜的VO2薄膜相比,摻鎢VO2薄膜具有相變溫度低、閾值電壓低和電阻率小的特點(diǎn),在高速光電器件中有廣闊的應(yīng)用前景.

10.7498/aps.66.238101

?國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2006AA03Z348)、教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:207033)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會科技攻關(guān)計(jì)劃(批準(zhǔn)號:06DZ11415)、上海市教育委員會科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:10ZZ94)和上海領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2011-026)資助的課題.

?通信作者.E-mail:liyi@usst.edu.cn