二氧化钒的原子层沉积及温度依赖性光学模型

这些实验的总体目标是通过原子层沉积法制备高质量的二氧化钒薄膜，并表征其在金属-绝缘体相变过程中的光学特性，进而建立描述二氧化钒作为可调折射率材料的模型。该方法有助于回答原子层沉积和相变材料领域中的一些关键问题，例如促进过渡金属氧化物形成不同化学计量比的途径。该技术的主要优势在于，能够制备出在大范围内成分和厚度均高度共形且均匀的异质集成相变材料。

初学者通常在此方法上遇到困难，因为确定每一步骤的狭窄实验参数范围对于获得正确的薄膜特性至关重要。首先，将双面抛光的c面蓝宝石衬底在40摄氏度的丙酮中进行超声处理5分钟。然后将衬底转移至加热至40摄氏度的异丙醇中，再超声处理5分钟。

用流动的去离子水冲洗基底两分钟，然后用氮气流吹干基底。将洁净干燥的基底存放在晶圆容器中。接下来，确认原子层沉积反应室的温度已达到150摄氏度。

用超高纯度氮气对反应器进行放气。待反应器准备就绪后，将衬底装入反应器，关闭反应器，并将反应器抽真空至低于17帕斯卡（Pa）或0.128托（torr）。等待至少300秒，使衬底温度升至150摄氏度。

然后，以20 sccm的流速向腔室内通入超高纯氮气，确保本底压力不超过36帕斯卡或0.270托。脉冲臭氧15个饱和循环，每个循环包括0.5秒的脉冲和随后15秒的吹扫。接着，为生长非晶二氧化钒，脉冲TEMAV 0.03秒，吹扫30秒，脉冲臭氧0.075秒，再吹扫30秒。

重复脉冲和吹扫循环，直至薄膜达到所需厚度。随后用超纯氮气对反应室进行放气。将样品从反应器转移至金属板上冷却。

关闭反应室并抽真空。确保样品推车位于超高真空退火室的负载锁中。向负载锁通气并打开。

将二氧化钒薄膜样品放置在样品托架上，并关闭进样室。使用粗抽泵将进样室压力降至约 0.1 帕。切换至涡轮分子泵，将进样室压力进一步降低至小于 10⁻⁴ 帕。

打开截止阀，将样品台转移至退火室。将退火室抽真空至低于10⁻⁵帕，然后以1.5 sccm的流速向退火室通入超高纯氧气。以每分钟20摄氏度的升温速率将样品台加热至560摄氏度。

根据薄膜厚度，将样品在 560 摄氏度下保持一至三小时。随后关闭加热器，将样品台移回负载锁以淬灭样品。将样品在氧气环境中保持过夜，或直至样品温度降至 150 摄氏度以下。

然后关闭氧气气流并关闭闸阀。使用超高纯氮气对负荷锁进行放气。当样品温度低于50摄氏度时，将样品从负荷锁转移至金属板，冷却至室温。

完成后关闭并抽空负荷锁。将二氧化钒薄膜样品置于配备532纳米激光激发源的拉曼显微镜样品台上。调节显微镜对样品进行聚焦。

在仪器软件中，将激光功率设为四毫瓦，曝光时间设为0.125秒，扫描次数设为10次，预览尺寸设为40微米。点击“实时光谱”以观察光谱。优化显微镜焦距、激光功率、曝光时间和扫描次数，以获得最高的信噪比。

获得最佳图像后保存谱图。通过分析峰位来确定薄膜的结晶度、相态和应变。将二氧化钒薄膜样品装入XPS样品托，并对仪器的样品交换室放气。

将样品台插入负荷锁中，并将负荷锁抽真空至低于 4 × 10⁻⁵ 帕斯卡或 3 × 10⁻⁷ 托。将样品台转移至主腔室，并确认腔室压力低于 7 × 10⁻⁶ 帕斯卡或 5.25 × 10⁻⁸ 托。创建或加载实验序列。

启动X射线枪，设置光斑尺寸为400微米，并打开漫射枪。定义一个用于普查测量的点，以及用于碳、氮、钒和氧高分辨率扫描的点。将普查扫描的通能和扫描次数分别设置为200电子伏特和两次。

将高分辨率扫描的通能和扫描次数分别设置为20电子伏特和15。将点测量十字光标置于样品上所需位置，然后运行实验。

数据采集完成后，使用 Survey ID 工具识别并分析薄膜中的元素。通过高分辨率扫描图谱中的峰位和积分强度，分析薄膜中的化学键合状态和化学计量比。实验结束后，按照标准程序卸载样品。

将二氧化钒薄膜样品装入设定为轻敲模式的原子力显微镜（AFM）中，并移动样品至AFM扫描头下方。选择“探针反射”选项，降低扫描头至样品表面，直至表面在探针尖端的反射成像清晰对焦。然后点击“样品”按钮，将焦点切换至样品。

关闭原子力显微镜（AFM）防震罩并检查实验参数。确保扫描尺寸设置为小于一微米，扫描速度为3.92赫兹，每条扫描线的采样点数设置为512。启动参数设置并等待20秒。

然后将扫描尺寸设置为三微米，根据需要调整驱动振幅、振幅设定值以及积分和比例增益，以优化原子力显微镜（AFM）图像。当图像达到所需质量后，点击“Frame Down”以从帧的顶部重新开始扫描，并点击“Capture”以获取新图像。扫描完成后，收回样品头。

在分析软件中打开原子力显微镜（AFM）图像，评估其形貌、表面粗糙度、深度直方图和平均晶粒尺寸。随后按照标准程序卸载样品。对沉积态非晶二氧化钒薄膜进行X射线光电子能谱（XPS）分析表明，表面主要成分为氧化钒，而体相则为预期的二氧化钒形式。

在低压氧气环境中对非晶薄膜进行退火处理，使其表面稳定形成二氧化钒。整体的零-二-零取向与蓝宝石衬底的峰位一致。拉曼光谱观察到尖锐的峰，表明晶体质量较高。

原始二氧化钒与退火后二氧化钒的峰值能量差异表明，在晶态纤丝中引入了拉伸应变。原子力显微镜（AFM）显示，原始薄膜与退火后薄膜的晶粒尺寸均在20至40纳米范围内。均方根粗糙度从原始薄膜的1.4纳米略微增加至退火薄膜的2.6纳米。

利用收集的二氧化钒在绝缘相和金属相下的透射率和反射率数据，以及由此计算得到的吸收率数据，建立了二氧化钒介电常数和折射率随温度及波长变化的振子模型。该优化后的模型能够准确预测二氧化钒从绝缘体向金属转变过程中的光学行为。该模型建立后，这些技术为从事薄膜生长领域的研究人员探索可调折射率光学器件的制备铺平了道路。