二酸化バナジウムと温度依存性の光学モデルの原子層堆積法

これらの実験の全体的な目標は、原子層堆積によって高品質の二酸化バナジウム膜を作成し、金属-絶縁体転移を通じて光学特性を特徴付けて、二酸化バナジウムを調整可能な屈折率材料として記述するモデルを作成することです。この方法は、遷移金属酸化物のさまざまな化学量論を促進する方法など、原子層堆積および相変化材料の分野で重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、広い領域にわたって高度にコンフォーマルで組成と厚さが均一な、不均一に統合された相変化材料の製造を可能にすることです。

一般に、この方法に不慣れな人は、各ステップの狭い実験パラメータスペースを決定することが正しい膜特性を達成するための鍵となるため、苦労します。まず、両面研磨されたC面サファイア基板をアセトンで摂氏40度で5分間超音波処理します。基質を40°Cに加熱したイソプロピルアルコールに移し、さらに5分間超音波処理します。

基質を流イオン水で2分間すすぎ、窒素ガスの流れで基質を乾燥させます。清潔で乾燥した基板をウェーハ容器に保管します。次に、原子層堆積反応器チャンバーが摂氏150度にあることを確認します。

超高純度窒素ガスで反応器をベントします。反応器の準備ができたら、基板を反応器に装填し、反応器を閉じて、反応器を17パスカルまたは0.128torr未満にポンプダウンします。基板が摂氏150度に達するまで、少なくとも300秒待ちます。

次に、UHP窒素ガスを20 sccmでチャンバーに流し込み始め、基本圧力が36パスカルまたは0.270 torrを超えないようにします。オゾンを15回の飽和サイクルでパルスします。各サイクルは0.5秒のパルスとそれに続く15秒のパージです。次に、非晶質二酸化バナジウムを成長させるために、TEMAVを0.03秒間パルスし、30秒間パージし、オゾンを0.075秒間パルスし、30秒間パージします。

フィルムが目的の厚さに達するまで、パルスとパージのサイクルを繰り返します。その後、反応器チャンバーにUHP窒素ガスを通気します。サンプルを反応器から金属面に移して冷却します。

原子炉を閉じて排気します。サンプルスレッドが超高真空アニーリングチャンバーのロードロック内にあることを確認してください。ロードロックを通気して開きます。

二酸化バナジウム薄膜サンプルをスレッドに置き、ロードロックを閉じます。荒削りポンプを使用して、ロードロック圧力を約0.1パスカルに下げます。ターボポンプに切り替えて、負荷ロック圧力をマイナス4パスカルの10未満に下げます。

ゲートバルブを開き、そりをアニーリングチャンバーに移します。アニーリングチャンバーをマイナス5パスカルまで10未満までポンプダウンし、UHP酸素ガスを1.5sccmでアニーリングチャンバーに流します。ソリを毎分20°Cで560°Cに加熱します。

サンプルを摂氏560度で1〜3時間保持します(膜厚にもよりますが)。その後、ヒーターをオフにし、そりをロードロックに戻してサンプルを急冷します。サンプルは、一晩中、またはサンプル温度が摂氏150度未満になるまで酸素環境に保管します。

次に、酸素の流れを止め、ゲートバルブを閉じます。ロードロックをUHP窒素ガスで通気します。サンプルの温度が摂氏50度を下回ったら、サンプルをロードロックから金属板に移し、室温まで冷却します。

終了したら、ロードロックを閉じてポンプダウンします。532ナノメートルのレーザー励起源を備えたラマン顕微鏡のサンプルステージ上に二酸化バナジウム薄膜サンプルを置きます。顕微鏡をサンプルに焦点を合わせます。

装置ソフトウェアで、レーザー出力を4ミリワット、露光時間を0.125秒、スキャン回数を10、プレビューサイズを40マイクロメートルに設定します。「Live Spectrum」をクリックして、スペクトルを観察します。顕微鏡の焦点、レーザー出力、露光時間、スキャン回数を最適化して、S/N比を最大化します。

最適な画像が得られたらスペクトルを保存します。ピークを評価して、フィルムの結晶化度、位相、およびひずみを決定します。二酸化バナジウム薄膜サンプルをXPSサンプルホルダーにロードし、装置のロードロックをベントします。

サンプルホルダーをロードロックに挿入し、ロードロックをマイナス5パスカルの10の4倍未満、または10の3倍マイナスの7番目のトーラスにポンプダウンします。サンプルホルダーをメインチャンバーに移し、圧力が負の6番目のパスカルの10の7倍未満、または10の5.25倍から負の8番目のトールを下回っていることを確認します。実験シーケンスを作成または読み込みます。

400マイクロメートルのスポットサイズでX線銃を始動し、フラッドガンをオンにします。調査測定のポイントと、炭素、窒素、バナジウム、酸素の高解像度スキャンのポイントを定義します。サーベイスキャンパスエネルギーとスキャン回数をそれぞれ200電子ボルトと2ボルトに設定します。

高解像度のスキャンパスエネルギーとスキャン回数をそれぞれ20電子ボルトと15に設定します。サンプル上の目的の位置にポイント測定十字線を配置します。その後、実験を実行します。

データ収集が完了したら、Survey ID ツールを使用して、フィルム内の要素を特定して解析します。高解像度スキャンのピーク位置と積分強度を評価して、フィルムのボンディングと化学量論を分析します。終了したら、標準的な手順でサンプルをアンロードします。

二酸化バナジウム薄膜サンプルをタッピングモードに設定されたAFMにロードし、サンプルをAFMのスキャンヘッドの下に移動します。[Tip Reflection]を選択し、表面の先端の反射にピントが合うまで、スキャンヘッドをサンプル表面に下げます。次に、[サンプル] ボタンをクリックして、フォーカスをサンプルに変更します。

AFMフードを閉じて、実験パラメータを確認します。スキャン サイズが 1 マイクロメートル未満に設定されていること、スキャン速度が 3.92 ヘルツであること、およびラインあたりのサンプル数が 512 に設定されていることを確認します。パラメータを作動させ、20 秒待ちます。

次に、スキャンサイズを3マイクロメートルに設定し、必要に応じてドライブ振幅、振幅設定点、積分ゲインと比例ゲインを調整して、AFM画像を最適化します。画像が目的の品質になったら、[フレームダウン]をクリックしてフレームの上部でスキャンを再開し、[キャプチャ]をクリックして新しい画像をキャプチャします。サンプルを引き出しますampスキャンが終了したら、ヘッド

解析ソフトウェアでAFM画像を開き、形態、表面粗さ、深さヒストグラム、および平均粒度を評価します。その後、標準的な手順でサンプルをアンロードします。堆積したままのアモルファス二酸化バナジウム膜のXPSは、表面が主に酸化バナジウムで構成され、バルクが予想される酸化バナジウム形態であることを示しました。

アモルファス膜を低圧酸素環境でアニールすると、表面は二酸化バナジウムとして安定化しました。全体的なゼロ-ツー-ゼロの配向は、サファイア基板のピークと一致しています。ラマン分光法では狭いピークが観察され、結晶品質が高いことが示されました。

成長したままの二酸化バナジウムとアニールされた二酸化バナジウムとの間のピークエネルギーの違いは、結晶フィラメントに引張ひずみが導入されることを示唆していました。AFMは、成長したままの膜とアニールされた膜の両方が20〜40ナノメートルのオーダーの結晶粒径を持っていることを示しました。二乗平均平方根の粗さは、成長したままのフィルムの 1.4 ナノメートルからアニールされたフィルムの 2.6 ナノメートルにわずかに増加しました。

収集した透過率と反射率のデータと、その絶縁相と金属相の酸化バナジウムから計算された吸収率データを使用して、酸化バナジウムの温度と波長に依存する誘電率と屈折率の発振器モデルを設計しました。最適化されたモデルは、酸化バナジウムが絶縁体から金属に移行する際の光学的挙動を正確に予測しました。その開発後、これらの技術は、薄膜成長の分野の研究者が調整可能な屈折率を持つ光学デバイスの作製を探求する道を開きました。