简述性质氧化钒薄膜制备及其电学、光学特性

论文导读：“三明治”结构W掺杂VO_X薄膜。借助多种现代浅析测试策略对薄膜的组分、结晶状态、表面形貌、分子结构等进行表征，探讨制备工艺条件对薄膜微观结构、电学及光学性质的影响。此外还深入探讨了纳米VO_X薄膜暴露在空气历程中表面组分、电学、光学性质的变化规律。以实验结果为依据，结合相关论述，深入浅析讨论了薄膜宏观物理性质
摘要：多年来，VO_X作为一种优质的光电功能材料一直备受人们的关注，在信息存储、光调制器、太阳能电池、光电探测器等方面有着重要的运用。本论文采取反应磁控溅射法制备纳米VO_X薄膜及“三明治”结构W掺杂VO_X薄膜。借助多种现代浅析测试策略对薄膜的组分、结晶状态、表面形貌、分子结构等进行表征，探讨制备工艺条件对薄膜微观结构、电学及光学性质的影响。此外还深入探讨了纳米VO_X薄膜暴露在空气历程中表面组分、电学、光学性质的变化规律。以实验结果为依据，结合相关论述，深入浅析讨论了薄膜宏观物理性质与微观结构之间的联系。论文包括的主要内容及相关重要结论如下：采取磁控溅射及原位退火氧化的“两步法”制备了相变型纳米VO_X薄膜。退火前薄膜为非晶态。经过退火处理后薄膜表面颗粒轮廓变清晰，表面粗糙度、V离子的平均价态显著增大，薄膜整体V-O单键减少，V=O双键增加。发现有着氧缺位带隙能级的纳米VO_X薄膜具有两个光吸收区，其中较弱的位于可见光波段的光吸收归因于氧缺位带隙能级。采取椭圆偏振技术深入探讨了相变型纳米VO_X薄膜的光学性质。通过比较Brendel-Bormann（BB）振子模型与Lorentz振子模型对实测ψ、Δ值的拟合结果发现，BB振子模型更准确地描述纳米VO_X薄膜的光学性质，用BB振子模型测量得到的薄膜厚度与扫描电镜断面观测到的结果一致。分别通过转变衬底温度、反应氧分压对相变型纳米VO_X薄膜平均颗粒尺寸进行制约，探讨相应VO_2晶粒平均尺寸、电学、光学性质的变化规律。毋需退火，在高反应氧分压工艺条件下溅射钒靶制备纳米V2O5-X薄膜。探讨结果表明随着衬底温度的升高，薄膜组分变化不大，颗粒形状变化显著，颗粒平均尺寸增大，薄膜分子结构变得紧致。浅析认为纳米V_2O_(5-X)薄膜的分子结构紧致程度是影响其电学、光学性质的主要因素。探讨长时间暴露空气历程中相变型纳米VO_X薄膜物理性质的变化规律。O_2对低价V离子的氧化是薄膜阻值增大的直接理由，但同时H2O会与V5+反应生成V4+–H+、V4+–OH，起到避开全部低价V离子被O原子氧化的作用，使薄膜阻值增大最终趋向饱和。O_2、H-2O引起的薄膜分子结构变化导致热滞回线形状发生转变。由于O_2、H2O对薄膜的作用主要发生在薄膜表面，薄膜整体的光透过率、光学常数变化幅度较小。首次采取VO_X/W/VO_X、VO_X/WO_y/VO_X“三明治”复合薄膜结构制备W掺杂VOX薄膜。通过转变W或WOy中间层的沉积时间、退火时间来转变退火历程中薄膜W原子的扩散浓度，进而转变薄膜的微观结构、电学、光学性质。O_2/Ar对VO_X/WO_y/VO_X薄膜薄膜的电学和光学性能影响显著，随着O_2/Ar的增大，薄膜的方阻值及光学带隙均逐渐增大。当O_2/Ar≥4.4/100或O_2/Ar≤1/100时，薄膜的相变现象消失。关键词：氧化钒薄膜论文半导体-金属相变论文纳米结构论文电学性质论文光学性质论文
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ABSTRACT7-13
第一章 绪论13-27

1.1 VO_X的晶体结构与基本物理性质13-18

1.1 钒-氧系统13

1.2 三氧化二钒（V_2O_3）13-14

1.3 二氧化钒（VO_2）14-17

1.4 五氧化二钒（V_2O_5）17-18

1.2 VO_X的掺杂18-19

1.3 VO_X（或掺杂 VO_X）薄膜及其制备策略19-22

1.4 纳米结构 VO_X薄膜及其运用探讨进展22-24

1.5 本论文的主要工作24-27

1.5.1 选题依据24-25

1.5.2 主要探讨内容25

1.5.3 本论文的内容安排25-27

第二章 纳米 VO_X薄膜的制备与表征27-51

2.1 引言27

2.2 薄膜沉积设备27-28

2.1 磁控溅射原理27-28

2.2 本论文采取的磁控溅射镀膜设备28

2.3 薄膜生长与退火处理28-32

2.3.1 薄膜生长28-31

2.3.2 退火处理31-32

2.4 薄膜表征策略32-37

2.4.1 X 射线衍射（XRD）32

2.4.2 X 射线光电子能谱（XPS）32-33

2.4.3 激光拉曼（Raman）光谱33-35

2.4.4 傅里叶（Fourier）变换红外光谱（FTIR）35

2.4.5 椭圆偏振技术（SE）35-36

2.4.6 原子力显微镜（AFM）36-37

2.4.7 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）37

2.4.8 方阻值及电阻率测试37

2.5 纳米 VO_X薄膜的制备及性质37-49

2.5.1 薄膜样品的制备37

2.5.2 薄膜的晶态浅析37-38

2.5.3 薄膜的表面形貌38-40

2.5.4 薄膜的组分浅析40-41

2.5.5 薄膜的 FTIR 浅析41-42

2.5.6 薄膜的电学性质42-43

2.5.7 薄膜的紫外-可见-近红外光谱43-45

2.5.8 薄膜的椭偏光学特性45-49

2.5.8.1 椭偏光学模型45-47

2.5.8.2 光频介电响应47-49

2.6 本章小结49-51

第三章 工艺参数对相变型纳米 VO_X薄膜物理性质的影响51-69

3.1 引言51

3.2 衬底温度对 nano-VO_X薄膜物理性质的影响51-59

3.

2.1 薄膜的晶态浅析52

3.

2.2 表面形貌52-54

3.

2.3 薄膜表面的成分及价态浅析54-55

3.

2.4 薄膜的拉曼光谱浅析55-56

3.

2.5 薄膜的电学特性56-57

3.

2.6 薄膜的紫外-可见光-近红外光学性质57-59

3.3 氧含量对 nano-VO_X薄膜物理性质的影响59-68

3.1 薄膜样品的制备59-60

3.2 薄膜的晶态浅析60

3.3 薄膜的 FTIR 浅析60-61

3.4 薄膜的表面形貌61-62

3.5 薄膜的光学性质62-68

3.论文导读：样品的制备704.3薄膜的成分及价态浅析70-714.4薄膜的结晶状态71-724.5薄膜的表面形貌72-744.6薄膜的FTIR浅析74-754.7薄膜的电学特性75-774.7.1衬底温度对薄膜室温电阻率的影响75-764.7.2衬底温度对薄膜室温导电激活能的影响76-774.8薄膜的光学特性77-804.9本章小结80-82第五章纳米VO_X薄膜在空气中的性质变化探

3.5.1 薄膜的折射率与消光系数62-63

3.5.2 薄膜的光频介电响应63-64

3.5.3 薄膜的反射率64

3.5.4 缺氧与富氧 VO_X薄膜的光电导率比较64-67

3.5.5 缺氧与富氧 VO_X薄膜的消光系数比较67

3.5.6 缺氧与富氧 VO_X薄膜的透过率比较67-68

3.4 本章小结68-69

第四章 无相变纳米 V_2O_5-X薄膜的制备与特性探讨69-82

4.1 引言69-70

4.2 薄膜样品的制备70

4.3 薄膜的成分及价态浅析70-71

4.4 薄膜的结晶状态71-72

4.5 薄膜的表面形貌72-74

4.6 薄膜的 FTIR 浅析74-75

4.7 薄膜的电学特性75-77

4.7.1 衬底温度对薄膜室温电阻率的影响75-76

4.7.2 衬底温度对薄膜室温导电激活能的影响76-77

4.8 薄膜的光学特性77-80

4.9 本章小结80-82

第五章 纳米 VO_X薄膜在空气中的性质变化探讨82-95

5.1 引言82-83

5.2 薄膜样品的制备与表征83-84

5.3 VO_X薄膜（Si_3N_4/Si 衬底）的电学特性84-87

5.4 VO_X薄膜（Si_3N_4/Si 衬底）的表面成分浅析87-88

5.5 VO_X薄膜（KBr 衬底）的分子结构浅析88-89

5.6 VO_X薄膜（玻璃衬底）的光学特性89-94

5.6.1 透过率随放置时间的变化89-91

5.6.2 VO_X薄膜的椭偏光谱特性91-94

5.6.

2.1 新制、久置样品的 psi 和 delta 比较91

5.6.

2.2 新制、久置样品的折射率和消光系数比较91-92

5.6.

2.3 新制、久置样品的介电常数虚部比较92

5.6.

2.4 VO_X薄膜（玻璃衬底）的表面成分浅析92-94

5.7 本章小结94-95
第六章 “三明治”结构钨掺杂 VO_X薄膜95-110

6.1 引言95-96

6.2 扩散论述96-98

6.3 VO_X/W/VO_X结构98-104

6.

3.1 薄膜样品的制备98

6.

3.2 薄膜的成分浅析98-99

6.

3.3 薄膜的结晶状态99-100

6.

3.4 薄膜的表面形貌100

6.

3.5 薄膜的电学性质100-102

6.

3.6 薄膜的光学性质102-104

6.4 VO_X/WO_y/VO_X结构104-108
6.

4.1 薄膜样品的制备104

6.

4.2 O_2/Ar 比值对薄膜物理性质的影响104-107

6.4.

2.1 O_2/Ar 比值对薄膜电学性质的影响104-106

6.4.

2.2 O_2/Ar 比值对薄膜光学性质的影响106-107

6.4.3 退火时间对薄膜电学性质的影响107-108

6.5 本章小结108-110

第七章 结论与展望110-113

7.1 全文工作总结110-111

7.2 本论文的主要革新点111-112

7.3 展望112-113

致谢113-114
参考文献114-133
攻读博士学位期间取得的探讨成果133-135