Name: 二氧化钒原子层沉积与温度依赖性光学模型 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
Description: 了解二氧化钒原子层沉积与退火工艺，建立温度依赖性光学模型。该方法通过精确控制薄膜厚度与均匀性，实现可调折射率材料的高质量制备与表征。

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本工作由美国海军研究实验室的核心项目资助。

注意：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS），并遵守所有适当的安全规范与操作流程。二氧化钒的原子层沉积生长使用原子层沉积反应器（ALD反应器）。ALD生长所用的前驱体为四（乙基甲基氨基）钒(IV)（TEMAV）和臭氧（由超高纯度（UHP，99.999%）氧气在0.3 slm流速和5 psi背压条件下生成）。此外，使用超高纯度（99.999%）氮气对反应腔室进行吹扫。在后续的真空退火过程中，退火阶段使用超高纯度氧气，放气阶段使用超高纯度氮气。TEMAV具有可燃性，必须在适当工程控制条件下使用。压缩氧气具有危险性，必须在适当工程控制条件下使用。压缩氮气具有危险性，必须在适当工程控制条件下使用。所有气体（TEMAV、氧气、臭氧和氮气）均通过适当的工程安全控制装置连接至ALD反应器。由于不锈钢管路比塑料管路更清洁、更可靠，因此采用不锈钢管路连接臭氧发生器与ALD反应器。在开始实验前，通过适当的工程安全控制措施，将独立的超高纯度氧气和氮气气源连接至真空退火腔室。丙酮和2-丙醇具有刺激性，必须在佩戴适当个人防护装备并遵循安全操作规程的条件下使用。例如，手套，通风橱， 等等.)
1. 在蓝宝石衬底上沉积二氧化钒的原子层沉积法
<ol>
	<li>清洁 c-Al2O3 （蓝宝石）衬底的处理步骤如下：将衬底在丙酮中进行溶剂清洗， 40 °C 在超声波清洗器中处理5分钟，然后直接转移（无需冲洗）至2-丙醇中 40 °C 超声处理5分钟。用流动的去离子水冲洗基底2分钟，并用氮气吹干。</li>
	<li>确保ALD反应腔室处于 150 °C 用氮气对原子层沉积反应器进行放气。</li>
	<li>将清洗后的蓝宝石衬底装入反应器，关闭反应器，并抽真空至 &lt;17 Pa 真空。等待至少 300 s，以确保样品达到 150 °C.</li>
	<li>通过向ALD腔室中通入20 sccm的UHP氮气来准备腔室（本底压力不得超过36 Pa），然后脉冲臭氧15个饱和循环，每个循环包括0.05秒的脉冲和15秒的吹扫。</li>
	<li>生长二氧化钒时，先脉冲注入TEMAV 0.03秒，随后吹扫30秒，然后脉冲注入臭氧0.075秒，再吹扫30秒。重复此脉冲与吹扫循环，直至达到所需的生长厚度。 
	注：此过程几乎呈线性，生长速率为每循环 0.7–0.9 Å。</li>
	<li>从ALD反应器中取出样品时，首先使用高纯氮气对ALD反应腔进行放气。将样品置于金属板（散热片）上，使其冷却至室温。关闭ALD反应器并抽真空 &lt;17 Pa 的真空度。此时样品在蓝宝石衬底上含有非晶态氧化钒薄膜。 
	注意：请小心取出样品，因为样品已被加热至 150 °C.</li>
</ol>
2. 退火
注意：在步骤1中通过ALD技术生长的VO2薄膜为非晶态VO2。为了制备取向多晶VO2薄膜，需将样品置于定制的超高真空退火腔室中进行退火处理，该腔室具有六通交叉结构。为保持退火腔室的清洁，设置了一个装载锁用于样品的插入和取出。加热装置采用直径为3英寸的耐氧加热器，由定制的铂丝加热元件构成。该加热器通过对氧化态因科镍合金滑轨进行辐射加热，从而将热量传递至固定在滑轨上的样品。该滑轨具有高发射率，有利于加热器与样品之间的高效热传导。
<ol>
	<li>确保载物台位于载锁室中，然后使用超纯氮气对载锁室进行放气，并打开载锁室。将样品放置在载锁室内的载物台上，关闭载锁室腔体。</li>
	<li>使用粗抽泵将负载锁抽至约 0.1 Pa。然后切换至涡轮分子泵，将负载锁抽至 &lt;10-4 打开截止阀，将载具转移至退火室，并对退火室抽真空至 &lt;10-5 Pa.</li>
	<li>以1.5 sccm的流量向退火室中通入超高纯度（UHP，99.999%）氧气。 
	注意：使氧气通过5 sccm质量流量控制器，以确保低流速。压力必须保持在1×10⁻⁴ Torr至1×10⁻³ Torr之间。-4 和 7x10-4 Pa。在样品到达之前必须达到此压力 150 °C.</li>
	<li>将雪橇加热至 560 °C （使用高温计和热电偶测量），加热升温速率为 ~20 °C/分钟。将雪橇保持在 560 °C 2小时（用于300 Å薄膜）。 
	注意：退火时间与厚度相关。经验数据表明，样品退火1小时 &lt;250 Å 厚度，样品处理 2 小时 &gt;250 Å 但 &lt;500 Å 厚，样品处理 3 小时 &gt;500 Å 厚。</li>
	<li>通过关闭加热器并将载样台从加热组件上移开（朝向装载锁方向）来淬灭样品。</li>
	<li>将样品保留在氧气环境中，直至样品温度降至以下 150 °C (例如，使用负载锁中的高温计测量样品温度。 
	注意：等待至更低温度时可获得更好的样品。一旦样品达到该状态， &lt;150 °C关闭氧气流并关上闸阀。</li>
	<li>用超高纯氮气吹扫。取出样品 &lt;50 °C 将样品置于金属板（散热片）上，冷却至室温。使用空载样品台关闭装载锁，并通过粗抽泵抽真空至0.1 Pa。切换至涡轮分子泵，将装载锁抽真空至 &lt;10-4 Pa.</li>
</ol>
3. 表征
<ol>
	<li>使用532 nm激光作为激发光源，通过拉曼光谱对样品进行检测。
	<ol>
		<li>将样品载入显微镜并调至聚焦状态。在软件中核对相机图像的样品焦平面。将扫描激光功率设为 4 mW，曝光时间设为 0.125 s，扫描次数设为 10，预览尺寸设为 40 µm.</li>
		<li>点击“实时光谱”以观察拉曼光谱。优化聚焦、激光功率、曝光时间和扫描次数，以最大化信噪比。点击“保存光谱”以保存数据。 
		在 OMNIC 中打开光谱。点击“Find Pks”按钮以识别峰位。确定结晶度、相（VO2 与 VO, V2O3，V2O5, 等等），并通过将峰位与氧化钒的标准参考数据进行比对来确定应变12,13. 
		注意：尖锐的峰表明晶体质量较高，而拉曼声子模式 193、222 和 612 cm⁻¹ 的硬化-1 和/或389 cm处的峰形变宽-1 模式是 VO 中拉伸应变的指标2 晶体</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过X射线衍射（XRD）确定取向、结晶度和相。 
	注意：XRD 谱图中峰的出现表明了晶体结构的性质，特别是晶体结构和取向。确定 VO 的取向2 通过将XRD数据峰的2Θ角与无机晶体结构数据库（ICSD）中VO各晶面的卡片数据进行比对2. 通过将数据峰与不同氧化钒相的卡片进行比对，确定物相。本研究中通过人工比对实验峰与标准数据库。单一 VO2 在39.9度出现的峰证实了VO2 晶体质量和单斜晶系 (020) 取向。</li>
	<li>通过X射线光电子能谱（XPS）测定化学计量比和杂质含量
	<ol>
		<li>将样品装入样品台。打开软件，点击放气装载锁。将样品台插入装载锁，然后点击抽真空。等待压力 &lt;4×10-5 Pa。单击转移按钮，将样品台移入腔室。确认腔室压力为 &lt;7x10-6 Pa.</li>
		<li>将测量参数输入实验树中。开启X射线源 400 µm 光斑尺寸设定后打开泛光枪。添加一个用于宽扫描测量的点，然后添加用于前驱体元素（C 和 N）以及薄膜元素（V 和 O）高分辨率扫描的点。每次测量时，设置通能（宽扫描为 200 eV，高分辨率扫描为 20 eV）和扫描次数（宽扫描为 2 次或以上，高分辨率扫描为 15 次）。</li>
		<li>在样品的所需位置放置十字准线以进行点测量。点击并高亮实验树标题，然后在菜单栏上点击“Experimental Run”以执行所有测量扫描。</li>
		<li>执行调查 ID 程序以识别和分析薄膜中的元素。选择手动峰添加，然后点击峰拟合按钮，以分析高分辨率数据扫描中的化学键合情况。根据 XPS 手册，通过计算积分峰强度的比值来确定化学计量比。14.</li>
		<li>实验结束后，关闭电子束枪，然后单击转移按钮，将样品台移入负载锁室。待样品进入负载锁室后，单击放气按钮，对负载锁室进行放气并取出样品。 
		注意：这用于识别全扫描中所有元素的存在，从而确定杂质。如图所示，特定结合能处的XPS峰显示了氧化钒的价态。 图1例如，这些结果展示了使用团簇离子枪对原始沉积样品进行深度剖析所获得的两次代表性XPS测量。表面XPS测量显示在约518 eV处有一个峰，表明存在V2O5，而刻蚀样品（薄膜体相）的XPS测量结果显示在约516 eV处有一个峰，表明存在VO2半高宽用于表征薄膜中钒元素成键的均匀性（即相纯度）。此外，对其他能峰的分析可用于识别污染物&gt;1 %).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用原子力显微镜（AFM）测定形貌
	<ol>
		<li>打开计算机和原子力显微镜（AFM）电子设备。启动 Nanoscope 程序，选择轻敲模式，然后选择加载实验。初始化载物台。</li>
		<li>按照屏幕左侧的实验顺序，点击“设置菜单”。使用聚焦控制将光学器件聚焦到悬臂上。点击“优化激光位置”以调整激光在探针上的对准。然后点击“自动对准检测器”按钮，接着点击“自动调谐悬臂”。</li>
		<li>加载样品并开启真空。</li>
		<li>单击“导航”按钮，使用轨迹球将样品移至探头下方。单击“探头反射”，同时按住对焦按钮，用轨迹球降低探头至样品表面，直至探头处于对焦状态。单击“样品”按钮，关闭原子力显微镜罩。</li>
		<li>点击检查参数菜单。确保扫描尺寸为 &lt;1 µm 并将样本/线数设置为512。单击Engage Menu按钮，等待20秒。</li>
		<li>设置扫描尺寸为 3 µm 将扫描速度保持在 3.92 Hz。如有必要，通过调整以下参数优化图像：驱动振幅、振幅设定值、积分增益和比例增益。</li>
		<li>通过点击“帧向下”按钮，然后点击“捕获”按钮来获取所需图像。扫描完成后，点击“退出”按钮。</li>
		<li>双击所需图像，即可在分析软件中打开。为确定形貌，单击“Flatten”按钮，然后单击“execute”。通过单击“Roughness”计算表面粗糙度以提取粗糙度参数，单击“Particle Analysis”计算深度直方图和平均晶粒尺寸。</li>
		<li>单击导航菜单，然后单击样品加载位置。关闭真空，取出样品。 
		注意：为确保样品间的一致性，应保持相同的原子力显微镜扫描参数。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测定光学透过率和反射率。
	<ol>
		<li>使用可调谐光学光源，测量近红外区域（或近正入射条件下）的光学透射率和反射率。以无样品状态校准系统，得到100%透射率；使用金镜校准，获得近100%反射率。</li>
		<li>加载 VO2 将样品置于温控载物台上。在设定温度下使样品达到稳定状态。在所需的光谱范围内测量透射率和反射率，例如，整个近红外区域。 
		注意：为了获得最佳结果，应至少对温度进行变化 20 °C 相变温度上下方的 VO2 （通常， 68 °C).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 光学常数（介电常数和折射率）的建模
<ol>
	<li>使用以下方程将复介电常数 ε 建模为光子能量 E 的函数（其中 ε∞ 为高频介电常数，其后为 n 个振子的求和项，An 为振子振幅，En 为振子能量，Bn 为振子阻尼）： 
	<img alt="介电函数方程，介电常数，能量依赖性，公式，光谱分析。" src="/files/ftp_upload/57103/57103eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1"> 
	注：使用自定义的 Matlab 程序对数据进行分析与建模。</li>
	<li>在步骤 4.1 中输入蓝宝石衬底的已知参数，并利用这些参数计算介电常数随光学波长的变化关系。随后计算折射率（n = √ε），并基于折射率进一步计算衬底的反射率和透射率。</li>
	<li>将步骤 4.2 的计算结果与实测数据进行比较，然后采用优化方法（如 Nelder-Mead15）更新步骤 4.2 中的输入参数，以减小实测值与计算值之间的误差，从而优化蓝宝石衬底的参数。</li>
	<li>在步骤 4.1 的方程中估算 VO2 的参数，并利用这些参数计算其介电常数。然后计算折射率（n = √ε），并将该折射率连同 VO2 厚度、衬底厚度、步骤 4.3 得到的折射率、光学波长、光学偏振态以及入射角作为输入参数，代入传递矩阵法16，以获得 VO2 涂层衬底的反射率和透射率。采用优化方法（如 Nelder-Mead15）更新 VO2 的输入参数，减小实测值与计算值之间的误差，从而优化 VO2 的参数。</li>
	<li>在多个温度下执行步骤 4.2 至 4.4，覆盖二氧化钒的绝缘态与金属态（温度范围为 30 至 90 °C）。将 VO2 折射率的温度依赖性建模如下： 
	<img alt="静态平衡方程 ε_VO2(T) = f(T)×ε_ins+ (1-f(T))×ε_metal，热分析。" src="/files/ftp_upload/57103/57103eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 3"> 
	其中 εVO2(T) 为 VO2 折射率随温度的变化，εins 和 εmetal 分别为绝缘相和金属相的介电常数，f(T) 为一个温度依赖函数，用于描述绝缘态与金属态光学性质的分布。采用类似费米-狄拉克分布的函数形式描述 f(T)，以模拟绝缘态到金属态的转变过程，类似于有效介质近似方法17,18,19，其表达式为： 
	<img alt="Sigmoid 函数方程 f(T)=1/(exp((T-Tt)/(W*Tt))+1)，用于统计物理。" src="/files/ftp_upload/57103/57103eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> 
	其中 Tt 为相变温度，W 控制相变宽度。</li>
	<li>采用优化方法更新 f(T) 函数中的参数（W 和 Tt），以减小实测值与计算值之间的误差，从而优化相变温度与相变宽度。最终建立一个同时依赖温度与波长的 VO2 介电常数与折射率模型。</li>
</ol>

<ol><li>Park, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+a+solid-state+triple+point+at+the+metal-insulator+transition+in+VO2%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Measurement of a solid-state triple point at the metal-insulator transition in VO2.</a> Nature. 500 (7463), 431-434 (2013).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

此处所述的生长方法在均匀性、化学成分、结构和形貌方面均可获得可重复的结果。钒前驱体对于获得沉积态原子层沉积（ALD）薄膜的正确化学计量比至关重要。该特定前驱体促进+4价钒的形成，而文献中列出的许多其他前驱体则倾向于形成更常见的+5价态。此外，该前驱体的蒸气压相对较低，需加热以在给定条件下提供足够剂量并实现饱和。由于该前驱体在约175 °C时开始降解，因此对前驱体加热温度和ALD生长温度均设定了上限。实现正确化学计量比的另一个关键因素是在前驱体注入过程中臭氧的浓度（此处约为125 mg/L）。通常，臭氧发生器在特定条件下产生的臭氧浓度会随时间推移而下降或漂移。若发生这种情况，则必须调整臭氧脉冲和吹扫时间，以维持化学计量比、形貌及晶圆均匀性。本文所述内容为如何生长ALD VO薄膜。2 在c面蓝宝石衬底上，包括 原位 臭氧预处理。生长前的清洁和成核步骤取决于基底材料；然而，此处描述的工艺适用于大多数基底（惰性材料、氧化物、金属） 等等.) 为了确定 VO 最佳的终止面清洁与制备方法2 在生长过程中，应考虑物种终止与钒前驱体之间的反应活性，同时尽量减少基底上的原生氧化物。最后，该工艺已在高深宽比基底（高达约100）上得到验证，但对于极端情况，可考虑采用暴露式或静态原子层沉积（ALD）方法以进一步提高薄膜的共形性。
获得高质量、结晶态的原子层沉积（ALD）VO2薄膜的能力在很大程度上依赖于沉积后的退火参数。其中最关键的因素是压力，特别是氧气的分压。高氧分压会导致晶面形成和晶粒生长，最终引发纳米线的生成，并导致生成V2O5相。若氧分压过低，则薄膜中的氧会被退火去除，从而形成V2O3相。因此，为了维持正确的物相并最小化薄膜粗糙度，氧分压应控制在1×10−4至7×10−4 Pa范围内。同样，温度对于实现薄膜结晶、保持化学计量比以及抑制表面粗糙化也至关重要。尽管VO2薄膜的实际温度难以准确测量，但实验结果表明，要实现结晶，加热台温度需高于500 °C。在更高温度下，更难维持正确的化学计量比和物相，并难以获得无针孔的薄膜。此外，温度与退火时间之间存在权衡关系，具体而言，较高的温度可缩短所需的退火时间。同时，退火持续时间还与薄膜厚度直接相关：较厚的薄膜需要更长时间才能达到最大结晶度。因此，上述方法中所描述的氧分压、退火温度和退火时间已优化，以制备出高质量的VO2薄膜，这些薄膜在接近理想的相变温度下表现出最大的光学性质变化。最后，氧气退火过程中的升温与冷却速率也会影响薄膜的粗糙度和形貌；升温与冷却速率越慢，所得薄膜越光滑。
原子层沉积（ALD）及后续退火工艺可制备出具有大面积均匀性的取向多晶VO2薄膜。ALD技术几乎可在任意基底的三维纳米结构上实现保形生长的薄膜。这使得VO2能够集成到新型应用中，尤其适用于光学器件。
在完成生长和光学测量后，建立了一个模型，该模型在近红外光谱区域对 VO2 在金属相和绝缘相中的透射率和反射率数据均提供了良好的拟合（R2 = 0.96–0.99）。其中，红外绝缘相的反射率是构建该模型最具挑战性的部分。虽然增加了额外的振子项，但这仅略微改善了该区域的拟合效果，同时增加了模型的复杂性。需要指出的是，该模型中洛伦兹振子的叠加是一种常见的光学模型，并不一定对应于特定的电子跃迁。最初，模型中包含了德鲁德（Drude）项，但在数学优化后，该德鲁德项基本被消除。因此，研究了多种最小化技术，但这些不同方法均收敛于相似的解，且均不包含德鲁德项。ALD 制备的 VO2 中缺乏德鲁德项可能由多种因素导致，例如：1）类似掺杂半导体的电阻率特性，或 2）等离子体频率向较低能量偏移和/或较大的碰撞率（阻尼项），这与这些薄膜的金属特性相符。
在绝缘相中，当温度 T&#60;60 °C 时，原子层沉积（ALD）制备的 VO2 的介电常数和折射率与其他制备方法（如溅射法4,20,21 和脉冲激光沉积法22,23）所得结果吻合良好。在金属态下，当温度 T&#62;70 °C 时，这些 ALD 薄膜表现出比其他方法制备的 VO2 更低的损耗。需要指出的是，尽管不同制备方法得到的 VO2 介电常数和折射率数值略有差异，但所有薄膜均呈现出相似的变化趋势。
本文中关于光学介电常数和折射率随温度和波长变化的模型与实验测得的数据高度吻合。该模型能够高质量地拟合实测光学数据，表明其可可靠地预测VO2在从绝缘体向金属相变过程中光学性质的变化。利用这些模型，可通过温度、厚度和波长对VO2的光学特性进行可预测的调控，从而设计实现静态与动态目标的光学系统。这些模型使得通过调节薄膜厚度和温度，能够在被动和主动系统中实现基于VO2的光学系统的设计与开发。

二氧化钒在接近 68 °C 时会发生晶相转变，其晶体结构从单斜相转变为四方相。这种相变的起源仍存在争议1，但近期的研究有助于阐明引发该相变的机制2,3,4。无论其起源如何，该相变会改变 VO2 的光学性质：在室温下，它表现为绝缘体（透光），而在相变温度以上则表现为更接近金属的材料（反射和吸收光）2。
已采用多种方法来制备VO2 过去（溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶液法 等等.)5VO的性质2 很大程度上取决于用于制备薄膜的技术6，这导致不同生长技术之间存在显著差异，并且后续退火过程也各不相同，从而引起晶体结构和薄膜性能的不一致。本研究探讨了通过原子层沉积（ALD）生长的薄膜的光学特性，然而该方法可适用于对所有类型的 VO 进行建模2 薄膜
近期，研究团队正通过在光学基底上集成二氧化钒（VO2）薄膜来构建光学器件。作为一种快速发展的新型沉积方法，原子层沉积（ALD）有助于制造此类光学器件，并相较于其他技术具有多项优势，例如大面积均匀性、埃米级厚度控制以及保形薄膜覆盖能力7,8,9。对于需要自限性逐层沉积、在多种基底材料上制备（e.g., 用于异质集成）或对三维结构进行保形包覆的应用而言，ALD 是首选技术10。最后，ALD 工艺对三维结构的保形包覆特性在光学应用中尤为有用。
在本论文的实验中，超薄非晶ALD薄膜在双面抛光的c面蓝宝石衬底上低温生长，并在氧气环境中退火，以获得高质量的结晶薄膜。基于实验测量结果，建立了VO2在温度和波长依赖下的光学变化模型，从而使其可作为一种可调折射率材料使用11。

<table><tbody><tr><td>c-Al2O3</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>超高纯氧气</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>超高纯氮气</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>四(乙基甲基氨基)钒(IV) (TEMAV)</td><td>Air Liquide</td><td></td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Fischer Scientific</td><td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>2-丙醇</td><td>Fischer Scientific</td><td>A416P-4</td><td></td></tr><tr><td>Savannah S200-G2</td><td>Veeco - CNT</td><td>Savannah S200-G2</td><td></td></tr><tr><td>臭氧发生器</td><td>Veeco - CNT</td><td>臭氧发生器</td><td></td></tr><tr><td>铂丝加热器</td><td>HeatWave Labs</td><td>定制</td><td></td></tr></tbody></table>

二氧化钒的原子层沉积及温度依赖性光学模型

Atomic Layer Deposition of Vanadium Dioxide and a Temperature-dependent Optical Model

二氧化钒是一种在接近 68 °C 时发生可逆金属-绝缘体相变的材料。为了在多种基底上生长具有晶圆级均匀性且厚度控制达到埃级精度的 VO2，选择了原子层沉积方法。该 ALD 工艺可在低温（≤150 °C）下高质量地生长超薄薄膜（100–1000 Å）的 VO2。在本实验中，VO2 薄膜生长于蓝宝石基底上。这种低温生长技术主要生成非晶态的 VO2 薄膜。随后在超高真空腔中，在纯度为 99.999%、压力为 7×10-4 Pa 的氧气环境下进行退火处理，获得了取向性良好的多晶 VO2 薄膜。通过拉曼光谱和 X 射线衍射分析了 VO2 的结晶性、相态和应变，通过 X 射线光电子能谱确定了其化学计量比和杂质含量，最后通过原子力显微镜表征了其形貌。这些数据表明，该技术所制备的薄膜质量较高。建立了一个模型，用于拟合 VO2 在近红外光谱区域中金属态和绝缘态下的实验数据。ALD 制备的 VO2 在绝缘态下的介电常数和折射率与其他制备方法的结果吻合良好，但在金属态下表现出差异。最后，通过对薄膜光学特性的分析，建立了波长和温度依赖的复折射率模型，为将 VO2 开发为可调折射率材料提供了基础。

为了确定原子层沉积（ALD）生长的氧化钒薄膜质量，对原始沉积的、主要为非晶态的 VO2 薄膜（图1）以及退火后的晶态 VO2 薄膜（未显示）进行了X射线光电子能谱（XPS）分析。对退火后的 VO2 薄膜还进行了X射线衍射（XRD）分析（图2）。此外，为了量化薄膜内部化学成分的垂直分布，采用团簇离子源进行深度剖析，以尽量减少阳离子/阴离子物种的优先刻蚀。图中展示了两条代表性曲线（图1），分别代表表面和体相区域。深度剖析及后续XPS测量结果表明，原始沉积薄膜最表层1 nm并非 VO2，而是由于环境中（偶然吸附的）氧和碳过量所致；但在低压氧气条件下进行更可控的退火处理后，即使表面也能够稳定为 VO2。X射线衍射测量使用Cu K-alpha射线作为激发源，在图2中显示出一个位于39.9˚的单一 VO2 衍射峰。该峰的特征证实了ALD生长的 VO2 薄膜具有高质量，同时也表明其(020)晶面取向与蓝宝石衬底的衍射峰一致。
为分析结晶度、相结构和应变，采用532 nm激光作为激发光源进行拉曼光谱测试。图3展示了VO2 薄膜的拉曼光谱，谱图中出现的尖锐峰表明薄膜具有较高的结晶质量。此外，钒-钒低频声子模式（193 和 222 cm-1）以及612 cm-1模式的能量升高，同时389 cm-1模式的能量降低，表明这些薄膜中存在拉伸应变12,13。
通过原子力显微镜（AFM）观察形貌。图4 显示，未退火薄膜的晶粒尺寸约为20–40 nm，均方根（RMS）粗糙度为1.4 nm（图4A）；退火薄膜的RMS粗糙度为2.6 nm（图4B）。
使用白光源、扫描单色仪和光电探测器获取了光学透射率和反射率数据，覆盖可见光和近红外区域。图5展示了薄膜从绝缘体向金属转变过程中的温度依赖性，显示出61 °C的相变温度。通过分析实验数据，可建立VO2在绝缘体至金属转变过程中与温度和波长相关的介电常数模型。图5表明，采用表1中的参数时，该模型能够准确预测光学行为。
<img alt="XPS 谱图对比 ALD VO2 薄膜的表面与体相，显示结合能与计数峰。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
图 1：c-Al2O3 上 35 nm 厚 VO2 薄膜的代表性 XPS 测量结果。 XPS 显示，薄膜体相为 VO2，而表面含有碳和氧污染物，成分更接近 V2O5。化学计量分析表明为 VO2。<a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="VO₂相的XRD图谱；蓝宝石衬底、ALD制备的VO₂、退火处理的VO₂/Al₂O₃变体、衍射峰" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig2v3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2：35 nm厚VO的XRD测量结果2 关于c-Al2O3. 此XRD测量显示单一VO2 在39.9˚处出现衍射峰，可独立验证晶体质量，并表明单斜晶系(020)取向与蓝宝石基底的衍射峰对齐。 <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig2v3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="退火和直接生长的 VO₂ 在蓝宝石衬底上的拉曼光谱图；强度与波数的关系。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3：c-Al2O3 上 VO2 的拉曼光谱。 该拉曼光谱具有尖锐的峰，表明晶体质量高，并显示出轻微的拉伸应变。 <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="AFM表面分析，生长态与退火样品的粗糙度比较示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4：c-Al2O3上VO2的形貌。 原子力显微镜（AFM）图像显示薄膜均匀且连续，晶粒尺寸约为20–40 nm，均方根粗糙度分别为（A）生长态薄膜的1.4 nm和（B）退火后薄膜的2.6 nm。<a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="不同温度下的透射率、反射率和吸收率随波长变化的曲线图；光学分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5：35 nm厚VO的近红外光学透射率与反射率2 在 c-Al 上2O3. 二氧化钒薄膜的光学透射率和反射率随温度变化的行为在40、60、70和 90 °C图中空心圆点表示测得的 VO 的透射率、反射率以及计算得到的吸收率2 在不同温度下蓝宝石结构的实验数据，而实线为VO的二维温度和波长依赖模型的预测值2. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>ε∞</td>
			<td></td>
			<td>osc. 1</td>
			<td>osc. 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>绝缘体</td>
			<td colspan="4"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3"></td>
			<td rowspan="3">3.4</td>
			<td>En</td>
			<td>3.8</td>
			<td>1.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>An</td>
			<td>33</td>
			<td>2.1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bn</td>
			<td>1.4</td>
			<td>1.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>金属</td>
			<td colspan="4"></td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3"></td>
			<td rowspan="3">4.5</td>
			<td>En</td>
			<td>3.2</td>
			<td>0.6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>An</td>
			<td>13</td>
			<td>5.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bn</td>
			<td>1.1</td>
			<td>1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：VO2的代表性模型参数。这些参数代表了在振荡器模型中用于估算VO2在金属相和绝缘相下介电常数时所采用的参数。

通过原子层沉积（ALD）在蓝宝石衬底上制备了二氧化钒（VO2）的薄膜（100–1000 Å）。随后，表征了VO2在金属-绝缘体相变过程中的光学性质。基于测得的光学性质，建立了描述VO2可调折射率的模型。

二氧化钒是一种在约 68 °C 附近具有可逆金属-绝缘体相变特性的材料。为了在多种基底上生长 VO2，采用……

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。

atomic-layer-deposition-vanadium-dioxide-temperature-dependent

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科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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二氧化钒的原子层沉积及温度依赖性光学模型

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