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微波等离子体低温制备氮杂二氧化钒薄膜

时间:2008-08-11 01:32:12  浏览:        

摘 要: 选用V2O5为前驱物,通过在玻璃片上镀膜,采用微波等离子体增强法,在低温条件下,成功制备了氮杂二氧化钒薄膜。通过X射线衍射(XRD),FT-IR对样品进行表征,结果表明:合成的样品为多晶氮杂二氧化钒。相变温度测试结果表明:火工艺可以降低相变温度,同时提高薄膜的结晶度;改变氮气流量,相变温度先降低后升高,当氮气流量为20ml/min时,相变温度可以降低至40℃。关键词: 微波等离子体;VO2;氮杂二氧化钒;相变温度
1 引 言
自从20世纪50年代末,贝尔实验室Morin[1]首次报道钒和钛氧化物具有金属-半导体相变特性(MIT)以来,人们纷纷对VO2的结构与性能进行了分析研究。发现VO2在68℃左右发生一级相变[2],在相变过程中,VO2发生电阻率、磁化率、光折射率、透射率、和反射率的可逆突变,这些性质,使VO2材料被广泛应用于[3~6]无触点热电开关,温度控制器、限流元件和保护开关、时间延迟开关、磁开关、光开关、信息储存、超高密度可擦写光盘、红外成像等。但比室温高的相变温度仍阻碍了VO2的实际应用。掺杂法是一种比较有前途、能有效改变VO2相变温度的方法[7,8],目前,掺杂的方式有两种:(1)是报道较多的阳离子掺杂[9,10];(2)是阴离子掺杂[11],即氧位掺杂,研究很少,仅见F离子的掺杂报道。目前制备掺杂VO2的方法主要有[9,11~13]:溶胶-凝胶掺杂法、水热合成掺杂法、溅射掺杂法、金属有机化合物气相沉积掺杂法、脉冲激光沉积工艺、无机溶胶-凝胶掺杂法等,但是都有其各自的缺点,不能有效满足商业应用的需要。综合比较国内外掺杂方法,本研究提出了以V2O5为前驱物,用微波等离子体增强法这一新思路,对二氧化钒进行微波等离子氮杂。改变氮气流量,相变温度先降低而后升高,退火工艺可以进一步降低氮杂二氧化钒薄膜的相变温度,并改善结晶度。除此之外,该法具有制作简便,价格低廉,反应时间短,参数可控性、操作性强,可重复性高,到目前为止,很少见到该法的相关报道。
2 实 验
2.1 原料及设备
实验所用分析纯V2O5为湘中地质研究所生产,H2为高纯氢(99.999%),N2为高纯氮(99.999%),氮杂二氧化钒的合成装置为实验室自制的微波等离子体装置。

2.2 氮杂二氧化钒薄膜的制备
采用热溶胶法,制备得到V2O5薄膜。将V2O5薄膜放入微波等离子体装置腔体内,进行等离子氮杂二氧化钒的合成,氮气和氢气的流量分别为0~40ml/min(标准状态下)和40ml/min(标准状态下),微波输入功率为150W,腔体内气压为2kPa,合成时间为15min。此外,本研究没有采用任何辅助加热措施,样品的合成温度源于微波等离子体输入功率的加热。经测试,在上述条件下,最后氮杂二氧化钒的合成温度约在150℃。
2.3 氮杂二氧化钒薄膜的结构表征及相变温度测试装置
利用日本岛津公司生产的XD-5A XRD衍射仪和美国公司生产的Nicolet IR-Impact-420型号的傅立叶红外对合成的氮杂二氧化钒进行了结构研究,电压为30kV,电流为20mA,氮杂二氧化钒的相变温度性能测试为实验室自制的相变温度测试仪器。

3 结果和讨论
3.1 样品的XRD衍射表征
VO2-xNy薄膜的XRD衍射图谱,对照JCPDS(42-0876)和文献[14~17],所得产品主晶相为多晶的VO2-xNy,其它产物含量较少。其中图3(a)为退火前的XRD衍射图,可以看出薄膜的衍射峰强较弱,峰形比较宽化,这主要的原因可能是由于在等离子
合成时,氧化钒被还原成二氧化钒,同时进行氮离子掺杂,离子进行重新排列,而且反应在约150℃的低温条件下进行,未能使薄膜在合适的温度下结晶,晶体未能获得足够的能力生长,从而使合成的薄膜结晶度较低,晶体尺寸较小,图3(b)为样品在350℃退火1h后的XRD衍射图,可以看出VO2-xNy薄膜退火后的晶相基本没有变化,但衍射峰明显变得尖锐,半峰宽明显减小,而且出现了(001)晶面的优势生长。结果表明:退火有利于VO2-xNy薄膜的形成,有利于晶体的生长,样品结晶度得到改善,晶体尺寸长大。
3.2 样品的红外谱图表征
出了系列薄膜的红外图谱,其中a为热溶胶制备的V2O5薄膜的红外图谱,控制其它反应参数保持不变,氮气流量依次增加,图4中从b~e依次增加,可以看到在1600cm-1附近的峰为水的羟基峰,是样品在红外测试制样过程中的吸附水,在1400cm-1左右有一对分裂峰,分别为1406和1386cm-1,其峰形及峰位与N—O的伸缩振动[18~21]基本相同,对照VO2薄膜的红外标准图谱[22,23]和V2O5薄膜的红外图谱,并没有发现在1400cm-1附近有峰出现,所以1400cm-1的峰为结构氮的特征峰,这证明氮离子已经掺入到VO2薄膜结构中,故所得的样品为VO2-xNy薄膜。
3.3 样品的相变温度测试分析
本研究参考G. Garry等人[17,24~26],以环境温度的变化为横坐标,对电阻取对数作为纵坐标,做出了样品的金属-半导体(MIT)相变温度曲线(t/℃-log(R/kΩ)),结果如图5所示。从图5可以知道,退火前的薄膜的相变温度约为55℃,而退火后的薄膜的相变温度约为47℃,相变温度降低了约8℃,相变前后的相变数量级并没有太大变化,但电阻比退火前有明显减小,主要的原因可能是退火使晶体颗粒长大,减小了晶界总面积,降低了界面电阻,使薄膜的总电阻减小。所以退火有利于降低VO2-xNy薄膜的相变温度。
出了VO2-xNy薄膜相变温度曲线,从图中可以看出,在合成样品其它的实验参数不变时,改变氮气流量,样品的相变温度变化较大。由晶体学知道,在单斜相中钒离子沿c轴形成V4+-V4+同极结合而显示半导体性,当氮离子取代二氧化钒中的部分氧离子,破坏了原来存在二氧化钒中的V4+-V4+同极结合平衡,而伴随V4+-V4+同极结合的减少,VO2的半导体相变得不稳定,从而改变了氮杂二氧化钒薄膜的相变温度。如图6(a)所示,纯VO2的相变温度约为65℃,与文献[1]值基本吻合,当氮气流量较低时,VO2-xNy相变温度与纯VO2相比没有太大变化,略低于60℃,如图6(b)所示;当氮气流量适当时,H240ml/min,N2流量为20ml/min,功率为150W,压强为2kPa,反应时间为15min时,相变温度可以降低至40℃,如图6(c)所示,可以预言,改变其它反应参数,可能会进一步降低其相变温度;而当氮气流量偏高时,薄膜相变温度也接近于60℃,如图6(d)所示。以上分析可以看出:氮气流量对VO2-xNy薄膜相变温度的影响为先降低后升高,目前最低可以降低至40℃,改变微波等离子增强法的实验参数,可能会进一步降低其相变温度,我们将在下阶段继续研究。
4 结 论
(1) 利用微波等离子体增强法,通过控制反应参数,以V2O5为前驱物,在150℃的低温条件下,成功地合成了系列氮杂二氧化钒薄膜(VO2-xNy)。
(2) 通过XRD和FT-IR研究,样品的结晶度较低,颗粒尺寸较小,在1400cm-1附近出现一对N—O分裂峰,得到所得的样品为氮杂二氧化钒。
(3) 样品在350℃退火1h,有利于降低样品的相变温度,同时改善其结晶度。
(4) 改变氮气流量,样品的相变温度先降低后升高,目前最低可以降低至40℃,接近室温,拓宽了其应用范围。优化工艺参数,进一步降低VO2-xNy的相变温度,将是下步研究目标。
参考文献:
[1] Morin F J. [J]. Phys Review Letter, 1959, 3: 34-36.
[2] Jin P, Yoshimura K, Tanemura S. [J]. J Vac Sci Techn-ol A, 1997, 15(3): 1113-1117.
[3] Katayama M, Kanie T, Suganuma H. [J]. SEI Tech.Rev. 2003 (55): 37-42.
[4] Xu F, Rao R, Fainman Y. [J]. Opt Lett,1995,20 (33):336-368.
[5] Shankar N K, Morris J A, Yakymyshyn C P, et al. [J].IEEE Photon Technol Lett, 1990, 2: 147-149.
[6] Diemeer M B J. [J]. Opt Mater, 1998, 9: 192-200.
[7] Jin P, Nakao S, Tanemura S. [J]. Thin Solid Films,1998, 324(12): 151-158.
[8] Hanlon T J, Coath J A, Richardson M A. [J]. Thin Sol-id Films, 2003, 436: 269-272.
[9] Lawton S A,Theby E A.[J]. J Am Ceram Soc, 1995, 78(1): 238-240.
[10] Lu S W,Can F X.[J]. J Mat Sci Lett, 1996, 15: 856.
[11] Burkhardt W, Christmann T, Franke S, et al. [J].Thin Solid Films, 2002, 402: 226-231.
[12] Xu S Q, Ma H P, Dai S X, et al. [J]. Phys Lett,2003, 20(1): 148.
[13] 徐时清,赵 康,马红萍.等. [J].人工晶体学报,2002, 31(5): 472.
[14] Schlag H J, Scherber W. [J]. Thin Solid Films, 2000,366: 28-31.
[15] Shishkin N Y, Komarov A A, Kosov D V, et al. [J].Sensors and Actuators B, 2005, 108: 113-118.
[16] Mei Pan, Jie Liu, Hongmei Zhong, et al. [J]. Journalof Crystal Growth, 2004, 268: 178-183.
[17] Garry G, Durand O, Lordereau A. [J]. Thin SolidFilms, 2004, 454: 427-430.
[18] 谭厚章,廖晓伟,赵 科,等. [J].动力工程, 2004, 24(1): 121-124.
[19] 张存满,徐 政,万克树,等. [J].无机材料学报, 2004,19(3): 559-565.
[20] 祝静艳,曾玉燕,匡代彬,等. [J].中山大学学报(自然科学版), 2001, 40(6): 31-34.
[21] 张永平,韩 俭,唐 宁.等. [J].兰州大学学报(自然科学版), 2000, 36(5): 82-87.
[22] Guinneton F,Valmalette J C. [J]. Opt Mater, 2000,15: 111-114.
[23] Chen Wen,Peng Junfeng,Mai Liqiang, et al. [J]. SolidState Communications, 2004, 132(88): 513-516.
[24] Yin Dachuan, Xu Niankan, Zhang Jingyu, et al. [J].Materials Research Bulletin, 1996, 34(2): 335-340.
[25] Chen Sihai,Ma Hong,Yi Xinjian,et al. [J]. InfraredPhysics & Technology, 2004, 45(44): 239-242.
[26] Muraoka Y, amauchi T Y, Ueda Y, et al. [J]. J PhysCondens Matter, 2002, 14: 757-763.

  
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