Name: Osadzanie warstw atomowych dwutlenku wanadu i model optyczny zależny od temperatury (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
Description: Poznaj metodę osadzania warstw atomowych dwutlenku wanadu i opracowanie modelu optycznego zależnego od temperatury. Technika ta umożliwia precyzyjną kontrolę grubości filmów VO₂ dla zastosowań w materiałach o regulowanym współczynniku załamania.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana przez podstawowe programy w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

Uwaga: Przed użyciem zapoznaj się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów (MSDS) i stosuj wszelkie właściwe praktyki oraz procedury bezpieczeństwa. Osadzanie atomowe warstw tlenku wanadu odbywa się w reaktorze ALD. Prekursorami stosowanymi w procesie wzrostu ALD są tetrakis(etylometyloamido)wanad(IV) (TEMAV) oraz ozon (generowany z tlenu o ultra wysokiej czystości, UHP, 9,9%, przy przepływie 0,3 slm i ciśnieniu wstecznym 5 psi). Dodatkowo do płukania komory reaktora stosowany jest azot UHP (9,9%). Podczas następnego wyżarzania próżniowego tlen UHP jest używany w trakcie wyżarzania, a azot UHP do odpowietrzania. TEMAV jest łatwopalny i powinien być stosowany wyłącznie przy odpowiednich zabezpieczeniach technicznych. Sprężony tlen stanowi zagrożenie i powinien być stosowany wyłącznie przy odpowiednich zabezpieczeniach technicznych. Sprężony azot stanowi zagrożenie i powinien być stosowany wyłącznie przy odpowiednich zabezpieczeniach technicznych. Wszystkie gazy (TEMAV, tlen, ozon i azot) są podłączone do reaktora ALD z wykorzystaniem odpowiednich technicznych środków bezpieczeństwa. Generator ozonu połączony jest z reaktorem ALD za pomocą rurek ze stali nierdzewnej, ponieważ są one czystsze i bardziej niezawodne niż rurki plastikowe. Przed rozpoczęciem procedury do komory wyżarzania próżniowego podłącza się oddzielne źródła tlenu i azotu UHP, stosując odpowiednie techniczne zabezpieczenia bezpieczeństwa. Aceton i 2-propanol są substancjami drażniącymi i powinny być stosowane wyłącznie z użyciem odpowiednich środków ochrony osobistej i zgodnie z procedurami bezpieczeństwa (np. rękawice, dygestorium, itp.)
1. Osadzanie atomowe warstw dwutlenku wanadu na podłożach szafirowych
<ol>
	<li>Oczyść podłoże z c-Al2O3 (szafiru) w następujący sposób: przeprowadź czyszczenie rozpuszczalnikowe podłoża w acetonie w temperaturze 40 °C w myjce ultradźwiękowej przez 5 min, następnie przenieś je bezpośrednio (bez płukania) do 2-propanolu w temperaturze 40 °C i sonikuj przez 5 min. Płucz podłoże w bieżącej wodzie dejonizowanej przez 2 min, a następnie osusz je azotem.</li>
	<li>Upewnij się, że komora reaktora ALD znajduje się w temperaturze 150 °C i przedmuchaj reaktor ALD azotem.</li>
	<li>Wprowadź oczyszczone podłoże szafirowe do reaktora, zamknij reaktor i odpompuj powietrze do próżni &lt;17 Pa. Odczekaj co najmniej 30 s, aby upewnić się, że próbka osiągnęła temperaturę 150 °C.</li>
	<li>Przygotuj komorę ALD, wpuszczając do niej azot UHP z przepływem 20 sccm (ciśnienie bazowe nie powinno przekroczyć 36 Pa), a następnie podaj impulsy ozonu przez 15 cykli nasycenia, gdzie jeden cykl składa się z impulsu trwającego 0,05 s, po którym następuje 15 s płukania.</li>
	<li>Aby otrzymać dwutlenek wanadu, podaj impuls TEMAV przez 0,03 s, a następnie wykonaj 30 s płukania, po czym podaj impuls ozonu przez 0,075 s i wykonaj 30 s płukania. Powtarzaj ten cykl impulsowania i płukania, aż do osiągnięcia pożądanej grubości warstwy. 
	UWAGA: Proces ten jest niemal liniowy, a szybkość wzrostu wynosi 0,7-0,9 Å na cykl.</li>
	<li>Wyjmij próbkę z reaktora ALD, najpierw przedmuchując komorę reaktora ALD azotem UHP. Umieść próbkę na metalowej płytce (radiatorze), aby schłodzić ją do temperatury pokojowej. Zamknij reaktor ALD i odpompuj powietrze do próżni &lt;17 Pa. Próbka zawiera teraz amorficzną warstwę tlenku wanadu na podłożu szafirowym. 
	Ostrzeżenie: Wyjmij próbkę ostrożnie, ponieważ jest ona nagrzana do 150 °C.</li>
</ol>
2. Wyżarzanie
UWAGA: VO2 filmy otrzymane metodą ALD w kroku 1 tworzą amorficzny VO2Aby wytworzyć zorientowany polikrystaliczny VO2 W przypadku filmów próbki są wyżarzane w specjalnie zaprojektowanej komorze wyżarzania w ultrawysokiej próżni z krzyżowaniem sześcioodbytnicowym. Aby utrzymać czystość komory wyżarzania, zastosowano śluzę do wprowadzania i wyjmowania próbek. Grzałka o średnicy 3 cali, odporna na tlen, składa się z wykonanego na zamówienie drutu platynowego. Grzałka ta zapewnia ogrzewanie radiacyjne utlenionego sanka z Inconelu, do którego zamocowane są próbki. Sanek posiada wysoką emisyjność, co zapewnia efektywny transfer ciepła z grzałki do próbek.
<ol>
	<li>Upewnij się, że sanie znajdują się w śluzie załadowczej, następnie przedmuchaj śluzę azotem o bardzo wysokiej czystości (UHP) i otwórz ją. Umieść próbkę na saniach w śluzie załadowczej i zamknij komorę śluzy.</li>
	<li>Wypompuj powietrze ze śluzy załadowczej do ciśnienia ~0,1 Pa za pomocą pompy wstępnej. Następnie przełącz się na pompę turbomolekularną i wypompuj śluzę do ciśnienia &lt;10-4 Pa. Otwórz zawór odcinający, przenieś sanie do komory wygrzewania i wypompuj komorę wygrzewania do ciśnienia &lt;10-5 Pa.</li>
	<li>Wprowadź 1,5 sccm tlenu o bardzo wysokiej czystości (UHP, 9,9%) do komory wygrzewania. 
	UWAGA: Przepuść tlen przez kontroler przepływu masowego 5 sccm, aby zapewnić niski przepływ. Ciśnienie musi wynosić od 1x10-4 do 7x10-4 Pa. Ciśnienie to musi zostać osiągnięte, zanim próbka rozgrzeje się do 150 °C.</li>
	<li>Ogrzej sanie do 560 °C (pomiar pirometrem i termoparą), stosując szybkość wzrostu temperatury ~20 °C/min. Utrzymuj sanie w temperaturze 560 °C przez 2 h (dla filmu o grubości 30 Å). 
	UWAGA: Czas wygrzewania zależy od grubości. Dane empiryczne sugerują wygrzewanie przez 1 h dla próbek o grubości &lt;250 Å, 2 h dla próbek o grubości &gt;250 Å, ale &lt;50 Å oraz 3 h dla próbek o grubości &gt;50 Å.</li>
	<li>Gwałtownie schłodź próbkę, wyłączając grzejnik i wysuwając sanie z zespołu grzewczego (w stronę śluzy załadowczej).</li>
	<li>Utrzymuj próbkę w atmosferze tlenu, aż jej temperatura spadnie poniżej 150 °C (np. używając pirometru w śluzie załadowczej do pomiaru temperatury próbki). 
	UWAGA: Lepsze wyniki uzyskuje się, czekając do osiągnięcia jeszcze niższych temperatur. Gdy próbka osiągnie temperaturę &lt;150 °C, wyłącz przepływ tlenu i zamknij zawór odcinający.</li>
	<li>Przedmuchaj śluzę azotem UHP. Wyjmij próbkę w temperaturze &lt;50 °C i umieść ją na metalowej płytce (radiatorze), aby schłodziła się do temperatury pokojowej. Zamknij śluzę załadowczą z pustymi saniami i wypompuj do 0,1 Pa za pomocą pompy wstępnej. Przełącz się na pompę turbomolekularną i wypompuj śluzę do &lt;10-4 Pa.</li>
</ol>
3. Charakterystyka
<ol>
	<li>Przeanalizuj próbkę za pomocą spektroskopii ramanowskiej z wykorzystaniem źródła wzbudzenia laserowego o długości fali 532 nm.
	<ol>
		<li>Umieść próbkę w mikroskopie i ustaw ostrość. Zweryfikuj ostrość obrazu z kamery w oprogramowaniu. Ustaw moc lasera skanującego (Laser Power) na 4 mW, czas ekspozycji (Exposure Time) na 0,125 s, liczbę skanów (Number of Scans) na 10 oraz rozmiar podglądu na 40 µm.</li>
		<li>Kliknij Live Spectrum, aby zaobserwować widmo Ramana. Zoptymalizuj ostrość, moc lasera, czas ekspozycji oraz liczbę skanów, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu. Kliknij Save spectrum, aby zapisać dane. 
		Otwórz widmo w programie OMNIC. Kliknij przycisk „Find Pks”, aby zidentyfikować piki. Określ stopień krystaliczności, fazę (VO2 kontra VO, V2O3, V2O5, itd..), oraz naprężenia, poprzez porównanie piku z danymi referencyjnymi dla tlenków wanadu12,13. 
		UWAGA: Wąskie piki wskazują na wysoką jakość krystaliczną, natomiast utwardzenie modów fononowych Ramana 193, 2 i 612 cm⁻¹-1 i/lub zmiękczenie pasma 389 cm⁻¹-1 tryby stanowią wskaźniki odkształcenia rozciągającego w VO2 kryształ</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczenie orientacji, krystaliczności i fazy za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). 
	UWAGA: Pojawienie się piku w widmach XRD wskazuje na naturę struktury krystalicznej, a konkretnie na strukturę krystaliczną i orientację. Określ orientację VO2 poprzez dopasowanie kąta 2Θ piku danych XRD do kart Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) dla różnych płaszczyzn VO2Wyznaczono fazę poprzez dopasowanie pików danych do kart różnych faz tlenku wanadu. W niniejszej pracy przeprowadzono ręczne porównanie pików doświadczalnych z bazą standardową. Pojedynczy VO2 piki przy 39,9 stopnia potwierdzają VO2 jakość kryształu i wykazuje orientację jednoskośną (020).</li>
	<li>Wyznaczanie stechiometrii i poziomu zanieczyszczeń za pomocą spektroskopii rentgenowskiej fotoelektronów (XPS)
	<ol>
		<li>Załaduj próbkę do uchwytu na próbki. Otwórz oprogramowanie i kliknij vent load lock. Wsuń uchwyt na próbki do śluzy powietrznej i kliknij pump down. Odczekaj, aż ciśnienie &lt;4x10-5 Pa. Kliknij przycisk transferu, aby przenieść uchwyt próbki do komory. Sprawdź, czy ciśnienie w komorze wynosi &lt;7x10-6 Pa.</li>
		<li>Wprowadź parametry pomiarowe do drzewa eksperymentu. Włącz działo rentgenowskie za pomocą 400 µm rozmiar wiązki, a następnie włącz działo elektronowe (flood gun). Dodaj punkt dla pomiaru przeglądowego (survey), a następnie punkty dla skanów wysokiej rozdzielczości pierwiastków prekursorowych (C i N) oraz pierwiastków filmu (V i O). Dla każdego pomiaru określ energię przejścia (20 eV dla pomiaru przeglądowego i 20 eV dla skanów wysokiej rozdzielczości) oraz liczbę skanów (2 lub więcej dla pomiaru przeglądowego i 15 dla wysokiej rozdzielczości).</li>
		<li>Umieść celowniki pomiaru punktowego w żądanym miejscu na próbce. Kliknij i zaznacz tytuł drzewa eksperymentu, a następnie kliknij „Experimental Run” na pasku menu, aby wykonać wszystkie skany pomiarowe.</li>
		<li>Należy przeprowadzić procedurę przeglądu (survey ID) w celu zidentyfikowania i przeanalizowania pierwiastków w próbce. Wybrać przyciski Manual Peak Add, a następnie Peak Fit, aby przeanalizować wiązania w skanach danych o wysokiej rozdzielczości. Stechiometrię należy określić, obliczając stosunek zintegrowanych intensywności piku zgodnie z podręcznikiem XPS Handbook.14.</li>
		<li>Po zakończeniu wyłączyć działa, a następnie kliknąć przycisk transferu, aby przenieść uchwyt próbki do śluzy ładunkowej. Po wprowadzeniu próbki do śluzy ładunkowej kliknąć przycisk odpowietrzania śluzy (vent load lock) i wyjąć próbkę. 
		UWAGA: Pozwala to na zidentyfikowanie wszystkich pierwiastków w widmie przeglądowym, co umożliwia wykrycie zanieczyszczeń. Piki XPS przy określonych energiach wiązania wskazują wartościowości tlenków wanadu, co przedstawiono w Rycina 1Na przykład wyniki te przedstawiają dwa reprezentatywne pomiary XPS uzyskane poprzez profilowanie głębokościowe z wykorzystaniem klastrowej armatki jonowej do trawienia próbki w stanie po osadzeniu. Pomiar XPS powierzchni wykazuje pik przy ~518 eV, co świadczy o obecności V2O5podczas gdy pomiar XPS trawionej próbki (w objętości filmu) wykazuje piki przy ~516 eV, co potwierdza obecność VO2Szerokość połówkowa piku (FWHM) wskazuje na jednorodność wiązań wanadu w filmach (innymi słowy, na czystość fazową). Ponadto analiza pozostałych pików energetycznych umożliwia identyfikację zanieczyszczeń (&gt;1 %).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczanie morfologii za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM)
	<ol>
		<li>Włącz komputer i elektronikę AFM. Uruchom program Nanoscope i wybierz tryb Tapping Mode, a następnie wybierz opcję Load Experiment. Zainicjalizuj stół (Initialize Stage).</li>
		<li>Postępuj zgodnie z kolejnością eksperymentalną wyświetloną po lewej stronie ekranu i kliknij Setup Menu. Użyj elementów sterujących ostrością, aby ustawić ogniskowanie optyki na belce (cantilever). Wyrównaj laser względem sondy, klikając Optimize Laser Position. Kliknij przycisk Autoalign detector, a następnie kliknij Autotune cantilever.</li>
		<li>Załaduj próbkę i włącz pompę próżniową.</li>
		<li>Kliknij przycisk Navigate i za pomocą trackballa umieść próbkę pod głowicą. Kliknij Tip Reflection i obniż głowicę do powierzchni próbki, używając trackballa i trzymając wciśnięty przycisk ustawiania ostrości (focus), aż końcówka zostanie wyostrzona. Kliknij przycisk Sample i zamknij osłonę AFM.</li>
		<li>Kliknij Menu sprawdzenia parametrów (Check Parameter Menu). Upewnij się, że rozmiar skanu wynosi &lt;1 µm następnie ustaw wartość samples/line na 512. Kliknij przycisk Engage Menu. Odczekaj 20 s.</li>
		<li>Ustaw rozmiar skanowania dla 3 µm pozostawiając prędkość skanowania na poziomie 3,92 Hz. W razie potrzeby zoptymalizować obraz, zmieniając następujące parametry: amplitudę wzbudzenia, wartość zadaną amplitudy oraz wzmocnienia całkujące i proporcjonalne.</li>
		<li>Należy zarejestrować pożądany obraz, klikając przycisk Frame Down, a następnie przycisk Capture. Po zakończeniu skanowania należy kliknąć przycisk Withdraw.</li>
		<li>Kliknij dwukrotnie wybrany obraz, aby otworzyć go w oprogramowaniu do analizy. Aby określić morfologię, kliknij przycisk Flatten, a następnie kliknij execute. Wyodrębnij parametry statystyczne, klikając Roughness w celu obliczenia chropowatości powierzchni oraz Particle Analysis w celu obliczenia histogramu głębokości i średniego rozmiaru ziarna.</li>
		<li>Kliknij Menu Nawigacji (Navigate Menu), a następnie kliknij Pozycję Załadunku Próbki (Sample Load Position). Wyłącz próżnię i wyładuj próbkę. 
		UWAGA: Aby zapewnić spójność między próbkami, należy zachować te same parametry skanowania AFM.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczenie transmitancji i refleksyjności optycznej.
	<ol>
		<li>Należy użyć regulowanego źródła światła i zmierzyć transmitancję oraz reflekcję optyczną przy padaniu normalnym (lub zbliżonym do normalnego) w obszarze bliskiej podczerwieni. System należy skalibrować bez próbki dla transmitancji 10% oraz przy użyciu lustra złotego dla reflekcji bliskiej 10%.</li>
		<li>Załaduj VO2 próbkę na stolik z kontrolą temperatury. Stabilizuj próbkę w pożądanej temperaturze. Zmierz transmitancję i reflekcję w wybranym zakresie widmowym, na przykład w całym obszarze bliskiej podczerwieni. 
		UWAGA: Aby uzyskać optymalne wyniki, temperaturę należy zmieniać co najmniej 20 °C powyżej i poniżej temperatury przejścia VO2 (zazwyczaj, 68 °C).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Modelowanie stałych optycznych (przenikalności elektrycznej i współczynnika załamania światła)
<ol>
	<li>Modelowanie zespolonej przenikalności elektrycznej, εw funkcji energii fotonu, E, stosując następujący wzór (gdzie ε∞ czy przenikalność elektryczna wysokich częstotliwości jest określona przez sumę n oscylatory, gdzie An jest amplitudą oscylatora, En energia oscylatora, a Bn tłumienie oscylatora): 
	<img alt="Równanie funkcji dielektrycznej, przenikalność elektryczna, zależna od energii, formuła, analiza spektroskopowa." src="/files/ftp_upload/57103/57103eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> 
	UWAGA: Dane zostały przeanalizowane i zamodelowane przy użyciu autorskich programów w środowisku Matlab.</li>
	<li>W kroku 4.1 wprowadź znane parametry podłoża szafirowego i wykorzystaj je do obliczenia przenikalności dielektrycznej w funkcji długości fali optycznej. Następnie oblicz współczynnik załamania światła (n = √ε), a na podstawie współczynnika załamania oblicz współczynniki odbicia i przejścia podłoża.</li>
	<li>Porównaj wyniki z kroku 4.2 z danymi pomiarowymi, a następnie zastosuj technikę optymalizacji (np. metodę Neldera-Meeda)15) w celu aktualizacji parametrów wejściowych kroku 4.2, aby zredukować błąd pomiędzy wynikami zmierzonymi a obliczonymi, optymalizując tym samym parametry dla podłoża szafirowego.</li>
	<li>Szacowanie parametrów dla VO2 w równaniu w kroku 4.1, a następnie wykorzystać je do obliczenia przenikalności dielektrycznej. Następnie należy obliczyć współczynnik załamania światła (n = √ε) i wykorzystać go wraz z VO2 grubość, grubość podłoża, współczynnik załamania światła (z kroku 4.3), długość fali optycznej, polaryzacja optyczna oraz kąt padania jako dane wejściowe do transferu16 aby uzyskać współczynnik odbicia i transmitancję VO2 powlekone podłoże. Zastosuj technikę optymalizacji (taką jak metoda Neldera-Meada15) w celu aktualizacji VO2 parametry wejściowe i zredukować błąd między wynikami pomiarowymi a obliczeniowymi, optymalizując tym samym parametry dla VO2.</li>
	<li>Wykonaj kroki od 4.2 do 4.4 w kilku temperaturach obejmujących stan izolacyjny i metaliczny dwutlenku wanadu (temperatury od 30 do 90 °C). Model zależność współczynnika załamania światła $\text{VO}_2$ od temperatury2 w następujący sposób: 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej ε_VO2(T) = f(T)×ε_ins+ (1-f(T))×ε_metal, analiza termiczna." src="/files/ftp_upload/57103/57103eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> 
	gdzie εVO2(T) jaki jest współczynnik załamania światła VO2 w funkcji temperatury, εins i εmetal są odpowiednio przenikalności elektryczne fazy izolującej i metalicznej, a f(T) jest funkcją zależną od temperatury, która reguluje rozkład izolacyjnych i metalicznych właściwości optycznych. W celu [opisu/modelowania] należy zastosować funkcję typu Fermiego-Diraca dla f(T) do sterowania przejściem między stanem izolacyjnym a metalicznym, podobnie jak w przypadku aproksymacji ośrodka efektywnego17,18,19podany przez: 
	<img alt="Równanie funkcji sigmoidalnej f(T)=1/(exp((T-Tt)/(W*Tt))+1) stosowane w fizyce statystycznej." src="/files/ftp_upload/57103/57103eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> 
	gdzie Tt czy temperatura przejścia i W kontroluje szerokość przejścia.</li>
	<li>Zastosuj technikę optymalizacji w celu aktualizacji parametrów (W i Tt) w równaniu dla f(T) aby zredukować błąd między wynikami pomiarowymi a obliczeniowymi, optymalizując tym samym temperaturę i szerokość przejścia. W rezultacie otrzymano model przenikalności elektrycznej i współczynnika załamania światła VO zależny od temperatury i długości fali2.</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>
<li>Yang, Z., Ko, C., Ramanathan, S. <a target="_blank" href="http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-matsci-062910-100347">Oxide Electronics Utilizing Ultrafast Metal-Insulator Transitions.</a> Annu. Rev. Mater. Res. 41 (1), 337-367 (2011).</li>
<li>Tan, X., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3381290/">Unraveling Metal-insulator Transition Mechanism of VO2 Triggered by Tungsten Doping.</a> Sci. Rep. 2, 466(2012).</li>
<li>Verleur, H. W., Barker, A. S., Berglund, C. N. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.172.788">Optical Properties of VO2 between 0.25 and 5 eV.</a> Phys. Rev. 172 (3), 788-798 (1968).</li>
<li>Kiria, P., Hyett, G., Binions, R. <a target="_blank" href="https://www.vbripress.com/aml/articles/details/156/">Solid State Thermochromic Materials.</a> Adv. Mater. Lett. 1 (2), 86-105 (2010).</li>
<li>Konovalova, O. P., Sidorov, A. I., Shaganov, I. I. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/jot/ViewMedia.cfm?uri=jot-66-5-391&seq=0&guid=3284a265-b712-2e24-ff1a-82102ed5f781">Interference systems of controllable mirrors based on vanadium dioxide for the spectral range 06-106 micrometer.</a> J. Opt. Technol. 66 (5), 391(1999).</li>
<li>Premkumar, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://jss.ecsdl.org/content/1/4/P169.abstract">Process Study and Characterization of VO2 Thin Films Synthesized by ALD Using TEMAV and O3 Precursors.</a> ECS J. Solid State Sci. Technol. 1 (4), P169-P174 (2012).</li>
<li>Rampelberg, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609013016404">Crystallization and semiconductor-metal switching behavior of thin VO2 layers grown by atomic layer deposition.</a> Thin Solid Films. 550, 59-64 (2014).</li>
<li>Peter, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201402687/abstract">Metal-Insulator Transition in ALD VO2 Ultrathin Films and Nanoparticles: Morphological Control.</a> Adv. Funct. Mater. 25 (5), 679-686 (2015).</li>
<li>Rampelberg, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRampelberg%2C+G+%22Thin+film+synthesis+of+VO2+and+VN+by+gas-solid+reactions+and+atomic+layer+deposition%22">Thin film synthesis of VO2 and VN by gas-solid reactions and atomic layer deposition</a>. , (2016).</li>
<li>Kats, M. A., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.3.041004">Vanadium Dioxide as a Natural Disordered Metamaterial: Perfect Thermal Emission and Large Broadband Negative Differential Thermal Emittance.</a> Phys. Rev. X. 3 (4), 041004(2013).</li>
<li>Atkin, J. M., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.85.020101">Strain and temperature dependence of the insulating phases of VO2 near the metal-insulator transition.</a> Phys. Rev. B. 85 (2), 020101(2012).</li>
<li>Petrov, G. I., Yakovlev, V. V., Squier, J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1496506">Raman microscopy analysis of phase transformation mechanisms in vanadium dioxide.</a> Appl. Phys. Lett. 81 (6), 1023-1025 (2002).</li>
<li>Moulder, J. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMoulder%2C+JF+%22Handbook+of+X-ray+Photoelectron+Spectroscopy%3A+A+Reference+Book+of+Standard+Spectra+for+Identification+and+Interpretation+of+XPS+Data%22">Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Spectra for Identification and Interpretation of XPS Data</a>. , Physical Electronics Division, Perkin-Elmer Corporation. (1992).</li>
<li>Nelder, J. A., Mead, R. <a target="_blank" href="https://academic.oup.com/comjnl/article-abstract/7/4/308/354237">A Simplex Method for Function Minimization.</a> Comput. J. 7 (4), 308-313 (1965).</li>
<li>Born, M., Wolf, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBorn%2C+M+%22Principles+of+Optics%3A+Electromagnetic+Theory+of+Propagation%2C+Interference+and+Diffraction+of+Light%22">Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light</a>. , Cambridge University Press. (1999).</li>
<li>Choi, H. S., Ahn, J. S., Jung, J. H., Noh, T. W., Kim, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mid-infrared+properties+of+a+VO2+film+near+the+metal-insulator+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Mid-infrared properties of a VO2 film near the metal-insulator transition.</a> Phys. Rev. B. 54 (7), 4621-4628 (1996).</li>
<li>Jepsen, P. U., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.74.205103">Metal-insulator phase transition in a VO2 thin film observed with terahertz spectroscopy.</a> Phys. Rev. B. 74 (20), 205103(2006).</li>
<li>Rozen, J., Lopez, R., Haglund, R. F., Feldman, L. C. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.2175490">Two-dimensional current percolation in nanocrystalline vanadiumdioxide films.</a> Appl. Phys. Lett. 88 (8), 081902(2006).</li>
<li>Tazawa, M., Jin, P., Tanemura, S. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-37-10-1858">Optical constants of V1-xWxO2 films.</a> Appl. Opt. 37 (10), 1858-1861 (1998).</li>
<li>Joushaghani, A. Micro- and Nano-scale Optoelectronic Devices Using Vanadium Dioxide. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/68313">https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/68313</a> (2014).</li>
<li>Briggs, R. M., Pryce, I. M., Atwater, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compact+silicon+photonic+waveguide+modulator+based+on+the+vanadium+dioxide+metal-insulator+phase+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Compact silicon photonic waveguide modulator based on the vanadium dioxide metal-insulator phase transition.</a> Opt. Express. 18 (11), 11192-11201 (2010).</li>
<li>Dicken, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+tunable+near-infrared+metamaterials+based+on+VO2+phase+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Frequency tunable near-infrared metamaterials based on VO2 phase transition.</a> Opt. Express. 17 (20), 18330(2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisane tutaj metody wzrostu zapewniają powtarzalne wyniki pod względem jednorodności, składu chemicznego, struktury i morfologii. Prekursor wanadu ma kluczowe znaczenie dla uzyskania prawidłowej stechiometrii osadzonych warstw ALD. Ten konkretny prekursor promuje stan walencyjny +4 wanadu, w przeciwieństwie do wielu innych wymienionych w literaturze, które promują bardziej powszechny stan walencyjny +5. Dodatkowo ten konkretny prekursor ma dość niską prężność pary i wymaga podgrzania, aby zapewnić wystarczającą dawkę do nasycenia w podanych warunkach. Ponieważ prekursor ten zaczyna ulegać degradacji około 175 °C, wyznacza to górną granicę temperatury zarówno dla ogrzewania prekursora, jak i wzrostu ALD. Kolejnym krytycznym aspektem dla osiągnięcia prawidłowej stechiometrii jest stężenie ozonu (tutaj ~125 mg/L) podczas dozowania. Często stężenie ozonu wytwarzanego przez generator w określonych warunkach ulega degradacji lub dryfuje z czasem. Jeśli tak się stanie, czas trwania impulsu ozonu i oczyszczania będzie musiał zostać dostosowany, aby utrzymać stechiometrię, morfologię i jednorodność płytki. Opisano tutaj, jak uprawiać ALD VO2 na podłożach szafirowych w płaszczyźnie c, co obejmuje wstępną obróbkę ozonem na miejscu . Etapy poprzedzające wzrost w celu oczyszczenia i zarodkowania zależą od podłoża; Jednak opisany tutaj proces działa w przypadku większości podłoży (obojętnych, tlenków, metali itp.) Aby określić najlepsze czyszczenie zakończeń i przygotowanie do wzrostu VO2 , należy wziąć pod uwagę reaktywność między terminacją gatunku a prekursorem wanadu, jednocześnie minimalizując wszelkie natywne tlenki na podłożu. Wreszcie, proces ten został zademonstrowany na podłożach o wysokim współczynniku proporcji (do ~100), ale w skrajnych przypadkach należy rozważyć metodę ekspozycji lub statyczną ALD, aby jeszcze bardziej zwiększyć zgodność.
Zdolność do uzyskania wysokiej jakości, krystalicznych folii ALD VO2 jest w dużym stopniu zależna od parametrów wyżarzania po osadzaniu. Najbardziej krytycznym aspektem jest ciśnienie, a konkretnie ciśnienie parcjalne tlenu. Wysokie ciśnienie tlenu prowadzi do fasetowania i wzrostu ziarna, co ostatecznie powoduje tworzenie się nanoprzewodów, a także skutkuje faząV2O5. Jeśli ciśnienie tlenu jest zbyt niskie, tlen jest wyżarzany z folii, co powoduje powstanie fazyV2O3. Tak więc, aby utrzymać prawidłową fazę i zminimalizować chropowatość powłoki, ciśnienie tlenu powinno być utrzymywane w zakresie od 1x10-4 do 7x10-4 Pa. Podobnie, temperatura ma kluczowe znaczenie zarówno dla możliwości krystalizacji filmu, utrzymania stechiometrii, jak i zminimalizowania szorstkości folii. Chociaż temperatura folii VO2 jest trudna do zmierzenia, wyniki empiryczne sugerują, że krystalizacja wymaga temperatur etapu wyższych niż 500 °C. W wyższych temperaturach trudniej jest utrzymać prawidłową stechiometrię i fazę oraz wytwarzać filmy bez otworków. Istnieje również kompromis między temperaturą a czasem wyżarzania, w szczególności wyższe temperatury mogą skrócić czas wyżarzania. Dodatkowo czas trwania wyżarzania jest bezpośrednio związany z grubością folii. Grubsze folie wymagają dłuższego czasu, aby osiągnąć maksymalną krystalizację. W związku z tym ciśnienie tlenu, temperatura wyżarzania i czas wyżarzania opisane powyższymi metodami zostały zoptymalizowane w celu wytworzenia wysokiej jakości foliiVO 2, które wykazują największą zmianę właściwości optycznych przy prawie idealnej temperaturze przejścia. Wreszcie, tempo narastania i chłodzenia podczas wyżarzania tlenowego ma wpływ na chropowatość i morfologię; Im wolniejsze są, tym gładsze są filmy.
Osadzanie ALD, a następnie wyżarzanie VO2 wytwarza zorientowane warstwy polikrystaliczne o dużej jednorodności powierzchni. ALD oferuje filmy hodowane konforemnie na trójwymiarowych morfologiach w nanoskali prawie każdego podłoża. Umożliwia to integrację VO2 z nowatorskimi aplikacjami i jest szczególnie dobrze przystosowane do urządzeń optycznych.
Po pomiarach wzrostu i pomiarach optycznych tworzony jest model, który zapewnia dobre dopasowanie do danych zarówno dla transmitancji, jak i współczynnika odbicia VO2 w jego fazie metalicznej i izolacyjnej w zakresie widma bliskiej podczerwieni (R2 = 0,96-0,99). Współczynnik odbicia fazy izolacyjnej w podczerwieni jest najtrudniejszym procesem przy tworzeniu tego modelu. Dodano dodatkowe warunki oscylatora, ale to zwiększenie złożoności modelu tylko nieznacznie poprawiło dopasowanie w tym obszarze. Należy zauważyć, że w tym modelu superpozycja oscylatorów Lorentza jest powszechnym modelem optycznym i niekoniecznie odpowiada określonym przejściom elektronowym. Początkowo modele zawierały termin Drudego, jednak po optymalizacji matematycznej termin Drude został zasadniczo wyeliminowany. Z tego powodu zbadano kilka technik minimalizacji. Jednak te różne techniki zbiegły się w kierunku podobnych rozwiązań, które nie zawierały terminu drude. Brak członu Drude w ALD VO2 może być spowodowany wieloma czynnikami, takimi jak 1) rezystywność podobna do domieszkowanego półprzewodnika lub 2) przesunięcie częstotliwości plazmy do niższych energii i/lub dużej szybkości zderzeń (termin tłumienia), zgodnie z metalicznymi właściwościami tych warstw.
W fazie izolacji, T<60 °C, przenikalność elektryczna i współczynnik załamania światła ALDVO 2 dobrze zgadzają się z innymi metodami wytwarzania (napylanie 4,20,21 i napawanie laserem impulsowym22,23). W stanie metalicznym T>70 °C te folie ALD wykazują mniejsze straty niż VO2 wytwarzane innymi metodami. Należy zauważyć, że chociaż różne metody wytwarzania dają nieco różne wartości przenikalności elektrycznej i współczynnika załamania światła VO2, wszystkie filmy wykazują podobne trendy.
Przedstawiony w tej pracy model zależności przenikalności optycznej i współczynnika załamania światła od temperatury i długości fali dobrze zgadza się z danymi zmierzonymi doświadczalnie. Zdolność tego modelu do uzyskania dobrej jakości dopasowania do zmierzonych danych optycznych pokazuje, że może on wiarygodnie przewidywać właściwości optyczne VO2 w miarę zmiany fazy z izolatora na metal. Korzystając z tych modeli, właściwości optyczne VO2 mogą być przewidywalnie dostrojone przez temperaturę, grubość i długość fali, aby zaprojektować układy optyczne, które osiągają cele statyczne i dynamiczne. Modele te umożliwiają projektowanie i rozwój układów optycznych wykorzystujących VO2 w systemach pasywnych i aktywnych poprzez modyfikację grubości folii, a także temperatury.

Dwutlenek wanadu ulega krystalicznej przemianie fazowej w pobliżu 68 °C. Powoduje to strukturalną zmianę kryształów z jednoskośnych na tetragonalne. Pochodzenie tego przejścia pozostaje kontrowersyjne1, jednak ostatnie badania pomagają zrozumieć procesy, które powodują to przejście2,3,4 . Niezależnie od początku, przemiana fazowa zmienia właściwości optyczne VO2 z izolatora (przepuszczającego światło) w temperaturze pokojowej na bardziej metaliczny materiał (odbijający i pochłaniający światło) powyżej temperatury przejścia2.
W przeszłości do produkcji VO2 stosowano różne metody (rozpylanie, fizyczne osadzanie z fazy gazowej, chemiczne osadzanie z fazy gazowej, epitaksja z wiązki molekularnej, roztwor, itp.)5. Właściwości VO2 w dużej mierze zależą od technologii użytej do produkcji folii6, co spowodowało znaczną zmienność między różnymi technikami wzrostu i późniejszego wyżarzania oraz doprowadziło do różnic w krystaliczności i właściwościach powłoki. W niniejszej pracy zbadano właściwości optyczne folii wyhodowanych w warstwie atomowej (ALD), jednak podejście to ma zastosowanie do modelowania wszystkich typów filmów VO2.
Ostatnio, grupy konstruują urządzenia optyczne, umieszczając cienkie warstwy VO2 na podłożach optycznych. Jako szybko rozwijająca się nowa metoda osadzania, ALD może pomóc w wytwarzaniu tych urządzeń optycznych i ma kilka zalet w porównaniu z alternatywnymi technikami, takimi jak jednorodność dużej powierzchni, kontrola grubości poziomu angstrema i pokrycie warstwą konforemną7,8,9. ALD jest preferowaną techniką do zastosowań wymagających samoograniczającego się podejścia do osadzania warstwa po warstwie, wytwarzania na szerokiej gamie materiałów podłoża (np. w celu integracji heterogenicznej) lub konforemnego powlekania struktur 3D10. Wreszcie, powlekanie konformalne struktur 3D w procesie ALD jest szczególnie przydatne w zastosowaniach optycznych.
Na potrzeby eksperymentów opisanych w tym artykule, ultracienkie, amorficzne folie ALD były hodowane na dwustronnie polerowanych, płaskich podłożach szafirowych w niskich temperaturach i wyżarzane w środowisku tlenowym w celu wytworzenia wysokiej jakości krystalicznych warstw. Korzystając z pomiarów eksperymentalnych, tworzono model zmian optycznych zależnych od temperatury i długości fali w VO2, aby umożliwić jego użycie jako materiału o przestrajalnym współczynniku załamania światła11.

<table><tbody><tr><td>c-Al2O3</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>UHP Tlen Produkty</td><td></td><td></td><td></td>powietrzne</tr><tr><td>UHP Azot</td><td>Produkty</td><td></td><td></td>powietrzne</tr><tr><td>Tetrakis (etylometyloamido)wanad(IV) (TEMAV)</td><td>Air Liquide</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fischer Scientific</td><td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>2-propanol</td><td>Fischer Scientific</td><td>A416P-4</td><td></td></tr><tr><td>Savannah S200-G2</td><td>Veeco - Generator</td> ozonu CNT <td>Savannah S200-G2</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Veeco -</td><td>Generator</td><td></td>ozonu CNT</tr><tr><td>Grzejnik z drutu platynowego</td><td>HeatWave Labs</td><td>na zamówienie</td><td></td></tr></tbody></table>

osadzanie warstw atomowych dwutlenku wanadu i model optyczny zależny od temperatury

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

Dwutlenek wanadu to materiał, który ma odwracalną zmianę fazową izolatora metalowego w pobliżu 68 °C. Aby wyhodować VO2 na szerokiej gamie podłoży, z jednorodnością skali wafla i kontrolą grubości na poziomie angstremów, wybrano metodę osadzania warstwy atomowej. Ten proces ALD umożliwia wysokiej jakości, niskotemperaturowy (≤150 °C) wzrost ultracienkich warstw (100-1000 A) VO2. Na potrzeby tej demonstracji folie VO2 zostały wyhodowane na podłożach szafirowych. Ta technika wzrostu w niskiej temperaturze wytwarza głównie amorficzne filmy VO2. Późniejsze wyżarzanie w komorze ultra wysokiej próżni pod ciśnieniem 7x10-4 Pa tlenu o ultrawysokiej czystości (99,999%) wytworzyło zorientowane, polikrystaliczne warstwy VO2. Krystaliczność, fazę i odkształcenie VO2 określono za pomocą spektroskopii Ramana i dyfrakcji rentgenowskiej, podczas gdy stechiometrię i poziomy zanieczyszczeń określono za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów, a na końcu morfologię określono za pomocą mikroskopii sił atomowych. Dane te świadczą o wysokiej jakości folii wyhodowanych tą techniką. Stworzono model pasujący do danych dla VO2 w jego metalicznych i izolacyjnych fazach w zakresie widma bliskiej podczerwieni. Przenikalność elektryczna i współczynnik załamania światła ALD VO2 dobrze zgadzały się z innymi metodami wytwarzania w fazie izolacji, ale wykazały różnicę w jego stanie metalicznym. Wreszcie, analiza właściwości optycznych folii umożliwiła stworzenie zależnego od długości fali i temperatury modelu złożonego optycznego współczynnika załamania światła w celu opracowania VO2 jako materiału o przestrajalnym współczynniku załamania światła.

Aby ocenić jakość tlenku wanadu otrzymanego metodą ALD, przeprowadzono spektroskopię fotoelektronów rentgenowskich (XPS) w przypadku warstw VO2 bezpośrednio po osadzeniu, głównie amorficznych (Rysunek 1), a także warstw krystalicznego VO2 po wyżarzaniu (nie pokazano). Dyfrakcję rentgenowską (XRD) wykonano na wyżarzonych warstwach VO2 (Rysunek 2). Dodatkowo, aby pomóc w ilościowym określeniu pionowego profilu składu chemicznego wewnątrz warstwy, przeprowadzono profilowanie głębokościowe z użyciem klastrowego źródła jonów, aby zminimalizować preferencyjne trawienie gatunków kationowych/anionowych. Na Rysunku 1 przedstawiono dwa reprezentatywne przebiegi: jeden dla powierzchni i jeden dla wnętrza warstwy. Profil głębokości oraz następujące po nim pomiary XPS wykazują, że górna warstwa o grubości 1 nm świeżo osadzonego filmu nie jest VO2 ze względu na nadmiar tlenu i węgla z otoczenia (zanieczyszczenia powierzchniowe), jednak po bardziej kontrolowanej procedurze wyżarzania w tlenie pod niskim ciśnieniem nawet powierzchnia stabilizuje się do VO2. Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej wykonano z wykorzystaniem źródła promieniowania X Cu K-alpha, a na Rysunku 2 widoczny jest pojedynczy pik VO2 przy 39,9˚. Sygnatura tego piku potwierdza jakość VO2 otrzymanego metodą ALD oraz fakt, że orientacja krystaliczna (020) jest zgodna z pikiem podłoża szafirowego.
W celu analizy krystaliczności, fazy oraz naprężeń przeprowadzono spektroskopię Ramanowską z wykorzystaniem lasera o długości fali 532 nm do wzbudzenia. Rysunek 3 przedstawia widmo Ramanowskie warstwy VO2 , na którym widoczne są wąskie piki świadczące o wysokiej jakości krystalicznej. Ponadto zwiększona energia niskoczęstotliwościowych fononów wanad-wanad (193 i 2 cm-1) oraz modu 612 cm-1, a także zmniejszona energia modu 389 cm-1, sugerują występowanie naprężeń rozciągających w tych warstwach12,13.
Morfologię obserwowano za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM). Rycina 4 przedstawia rozmiary ziaren kryształów rzędu 20-40 nm oraz chropowatość średniokwadratową (RMS) wynoszącą 1,4 nm dla warstw naniesionych bezpośrednio (Rycina 4A) oraz chropowatość RMS wynoszącą 2,6 nm dla warstw wyżarzonych (Rycina 4B).
Dane dotyczące przenikalności i odbiciowości optycznej uzyskano przy użyciu białego źródła światła ze skanującym monochromatorem i fotodetektorem, co zapewniło pomiary w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Rycina 5 pokazuje zależność temperatury filmu podczas przejścia ze stanu izolatora w stan metalu, wykazując temperaturę przejścia wynoszącą 61 °CAnaliza danych eksperymentalnych umożliwia modelowanie przenikalności elektrycznej VO zależnej od temperatury i długości fali.2 w miarę przejścia ze stanu izolatora w stan metalu. Rycina 5 wykazuje, że model dokładnie przewiduje zachowanie optyczne przy zastosowaniu parametrów w Tabela 1.
<img alt="Widma XPS porównujące powierzchnię i objętość warstwy VO2 otrzymanej metodą ALD, przedstawiające piki energii wiązania i liczby zliczeń." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rycina 1: Reprezentatywne pomiary XPS dla VO o grubości 35 nm2 na c-Al2O3. Analiza XPS wykazuje, że główną część filmu stanowi VO2 podczas gdy powierzchnia, zawierająca zanieczyszczenia C i O, jest przesunięta bardziej w stronę V2O5Stechiometria sugeruje VO2. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig1large.jpg" target="_blank">Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<img alt="Wykres XRD faz VO2; podłoże szafirowe, VO2 ALD, wariant wyżarzonego VO2/Al2O3, piki dyfrakcyjne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig2v3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Pomiary XRD dla warstwy VO o grubości 35 nm2 na c-Al2O3. Ten pomiar XRD wykazuje pojedynczą fazę VO2 pik przy 39,9˚, który niezależnie potwierdza jakość kryształu i wykazuje, że orientacja monokliniczna (020) jest wyrównana z podległym pikiem szafiru. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig2v3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres spektroskopii Ramana dla VO₂ wyżarzanego i w stanie po uprawie na podłożu szafirowym; natężenie w funkcji liczby falowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Widma Ramana VO2 na c-Al2O3. To widmo Ramana charakteryzuje się wąskimi pikami, co wskazuje na wysoką jakość krystaliczną, oraz wykazuje niewielkie naprężenie rozciągające. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig3large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza powierzchni AFM, porównanie chropowatości próbek przed i po wygrzewaniu, schemat." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Morfologia VO2 na c-Al2O3. Obrazy AFM przedstawiają jednorodne, ciągłe warstwy o rozmiarach ziaren rzędu 20–40 nm i chropowatości RMS wynoszącej (A) 1,4 nm dla filmu w stanie po naniesieniu i (B) 2,6 nm dla wyżarzonej warstwy. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres transmitancji, refleksyjności i absorbancji w funkcji długości fali w różnych temperaturach; analiza optyczna." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57103/57103fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rysunek 5: Optyczna transmitancja i refleksyjność w bliskiej podczerwieni dla VO o grubości 35 nm2 na c-Al2O3. Zależność od temperatury transmitancji i refleksyjności optycznej filmu z dwutlenku wanadu przedstawiono dla wartości 40, 60, 70 oraz 90 °COtwarte kółka na wykresie przedstawiają zmierzoną transmitancję, reflekcję oraz obliczoną absortancję VO2 na strukturze szafirowej w różnych temperaturach, natomiast linie ciągłe przedstawiają wartości przewidywane przez dwuwymiarowy model VO zależny od temperatury i długości fali2. <a href="/files/ftp_upload/57103/57103fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</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>ryc. 1</td>
			<td>rys. 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Izolator</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>Metal</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>
Tabela 1: Reprezentatywne parametry modelu dla VO2. Parametry te są reprezentatywne dla tych stosowanych w modelu oscylatora w celu oszacowania przenikalności elektrycznej VO2 w jego fazach metalicznej i izolacyjnej.

Cienkie warstwy (100-1000 A) dwutlenku wanadu (VO2) zostały stworzone przez osadzanie warstwy atomowej (ALD) na podłożach szafirowych. Następnie scharakteryzowano właściwości optyczne poprzez przejście metal-izolator VO2. Na podstawie zmierzonych właściwości optycznych stworzono model opisujący przestrajalny współczynnik załamania światła VO2.

Osadzanie warstw atomowych dwutlenku wanadu i model optyczny zależny od temperatury

Vanadium dioxide is a material that has a reversible metal-insulator phase change near 68 &#176;C. To grow VO2 on a wide variety of substrates, with ...

Ogólnym celem tych eksperymentów jest stworzenie wysokiej jakości warstw dwutlenku wanadu poprzez osadzanie warstwy atomowej i scharakteryzowanie właściwości optycznych poprzez przejście metal-izolator w celu wytworzenia modelu opisującego dwutlenek wanadu jako materiał o przestrajalnym współczynniku załamania światła. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie osadzania warstw atomowych i materiałów zmiennofazowych, takich jak sposoby promowania różnych stechiometrii tlenków metali przejściowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona wytwarzanie heterogenicznie zintegrowanych materiałów zmiennofazowych, które są wysoce konforemne i jednolite pod względem składu i grubości na dużych obszarach.Ogólnie rzecz biorąc, osoby początkujące w tej metodzie mają trudności, ponieważ określenie wąskiej przestrzeni parametrów eksperymentalnych dla każdego kroku jest kluczem do uzyskania prawidłowych właściwości folii. Najpierw poddaj sonikacji dwustronnie polerowanego, szafirowego podłoża w płaszczyźnie C w acetonie w temperaturze 40 stopni Celsjusza przez pięć minut. Przenieś substrat do alkoholu izopropylowego podgrzanego do 40 stopni Celsjusza i poddaj sonikacji przez kolejne pięć minut.Podłoże płukać w płynącej, dejonizowanej wodzie przez dwie minuty i osuszyć podłoże strumieniem gazowego azotu. Przechowuj czyste, suche podłoże w pojemniku na wafel. Następnie upewnij się, że komora reaktora do osadzania warstw atomowych ma temperaturę 150 stopni Celsjusza.Odpowietrzyć reaktor gazowym azotem o bardzo wysokiej czystości. Gdy reaktor jest gotowy, załaduj substrat do reaktora, zamknij reaktor i przepompuj reaktor do mniej niż 17 paskali lub 0,128 tora. Odczekaj co najmniej 300 sekund, aby podłoże osiągnęło 150 stopni Celsjusza.Następnie należy rozpocząć wlewanie azotu UHP do komory z prędkością 20 sccm, upewniając się, że ciśnienie podstawowe nie przekracza 36 paskal lub 0,270 tora. Pulsuj ozonem przez 15 cykli nasycenia, gdzie każdy cykl to 0,5-sekundowy impuls, po którym następuje 15-sekundowe przedmuchiwanie. Następnie, aby wyhodować amorficzny dwutlenek wanadu, pulsuj TEMAV przez 0,03 sekundy, oczyszczaj przez 30 sekund, pulsuj ozonem przez 0,075 sekundy i oczyszczaj przez 30 sekund.Powtarzaj cykl impulsu i przedmuchiwania, aż folia osiągnie żądaną grubość. Następnie odpowietrzyć komorę reaktora gazowym azotem UHP. Przenieść próbkę z reaktora do metalowej płaszczyzny w celu ochłodzenia.Zamknąć i opróżnić reaktor. Upewnij się, że sanki do pobierania próbek znajdują się w blokadzie obciążenia komory wyżarzania o bardzo wysokiej próżni. Odpowietrzyć i otworzyć blokadę załadunku.Umieścić próbkę cienkiej warstwy dwutlenku wanadu na sankach i zamknąć blokadę załadunku. Użyj pompy do obróbki zgrubnej, aby zmniejszyć ciśnienie blokady ładunku do około 0,1 paskala. Przełącz się na pompę turbo i zmniejsz ciśnienie blokady obciążenia do mniej niż 10 do minus czwartej paskali .Otwórz zasuwę i przenieś sanie do komory wyżarzania. Przepompować w dół komorę wyżarzania do temperatury poniżej 10 do minus piątej paskala, a następnie wprowadzić gazowy tlen UHP do komory wyżarzania o prędkości 1,5 sccm. Podgrzej sanki do 560 stopni Celsjusza w tempie 20 stopni Celsjusza na minutę.Trzymaj próbkę w temperaturze 560 stopni Celsjusza przez jedną do trzech godzin, w zależności od grubości folii. Następnie wyłącz grzałkę i przesuń sanki z powrotem do śluzy załadunku, aby schłodzić próbkę. Próbkę należy przechowywać w środowisku tlenowym przez noc lub do momentu, gdy temperatura próbki spadnie poniżej 150 stopni Celsjusza.Następnie wyłącz dopływ tlenu i zamknij zasuwę. Odpowietrzyć blokadę ładunku za pomocą azotu UHP. Gdy temperatura próbki spadnie poniżej 50 stopni Celsjusza, przenieś próbkę z zamka obciążenia na metalową płytkę, aby schłodzić do temperatury pokojowej.Po zakończeniu zamknij i wpompuj blokadę ładunku. Umieść cienkowarstwową próbkę dwutlenku wanadu na stoliku mikroskopu Ramana z 532-nanometrowym źródłem wzbudzenia laserowego. Ustaw ostroskop na próbce.W oprogramowaniu przyrządu ustaw moc lasera na cztery miliwaty, czas naświetlania na 0,125 sekundy, liczbę skanów na 10, a rozmiar podglądu na 40 mikrometrów. Kliknij Live Spectrum, aby obserwować widmo. Zoptymalizuj ostrość mikroskopu, moc lasera, czas naświetlania i liczbę skanów, aby uzyskać maksymalny stosunek sygnału do szumu.Zapisz widmo, gdy uzyskany zostanie optymalny obraz. Oceń piki, aby określić krystaliczność, fazę i odkształcenie folii. Załaduj cienką warstwę dwutlenku wanadu do uchwytu na próbkę XPS i odpowietrz blokadę ładowania przyrządu.Włożyć uchwyt próbki do blokady obciążenia i przepompować ją w dół do wartości poniżej czterech razy 10 do minus piątych paskali lub trzy razy 10 do ujemnych siódmych torrów. Przenieść uchwyt próbki do komory głównej i sprawdzić, czy ciśnienie jest niższe niż siedem razy 10 do ujemnej szóstej paskali lub 5,25 razy 10 do ujemnej ósemki torra. Utwórz lub wczytaj sekwencję eksperymentu.Uruchom pistolet rentgenowski o rozmiarze plamki 400 mikrometrów i włącz pistolet do zalewania. Zdefiniuj punkt dla pomiaru pomiarowego i punkty dla skanów węgla, azotu, wanadu i tlenu o wysokiej rozdzielczości. Ustaw energię przejścia skanowania ankiety i liczbę skanów odpowiednio na 200 elektronowoltów i dwa.Ustaw energię przejścia skanowania w wysokiej rozdzielczości i liczbę skanów odpowiednio na 20 elektronowoltów i 15. Umieść krzyżyk pomiarowy w żądanych miejscach na próbce. Następnie uruchom eksperyment.Po zakończeniu zbierania danych użyj narzędzia Survey ID, aby zidentyfikować i przeanalizować elementy w filmie. Oceń lokalizacje pików i zintegrowane intensywności w skanach o wysokiej rozdzielczości, aby przeanalizować wiązanie i stechiometrię folii. Po zakończeniu należy rozładować próbki zgodnie ze standardowymi procedurami.Załaduj cienkowarstwową próbkę dwutlenku wanadu do AFM ustawionego w trybie gwintowania i przenieś próbkę pod głowicę skanującą AFM. Wybierz opcję Tip Reflection (Odbicie końcówki) i opuść głowicę skanującą na powierzchnię próbki, aż odbicie na końcówce powierzchni będzie ostre. Następnie kliknij przycisk Próbka, aby zmienić fokus na próbkę.Zamknij maskę AFM i sprawdź parametry eksperymentu. Upewnij się, że rozmiar skanowania jest ustawiony na mniej niż jeden mikrometr, szybkość skanowania wynosi 3,92 herca, a liczba próbek w wierszu jest ustawiona na 512. Włącz parametry i odczekaj 20 sekund.Następnie ustaw rozmiar skanowania na trzy mikrometry, dostosuj amplitudę napędu, nastawę amplitudy oraz całkujące i proporcjonalne wzmocnienia zgodnie z potrzebami, aby zoptymalizować obraz AFM. Gdy obraz osiągnie żądaną jakość, kliknij opcję Klatka w dół, aby wznowić skanowanie w górnej części ramki, a następnie kliknij przycisk Przechwyć, aby przechwycić nowy obraz. Wyjmij głowicę próbki po zakończeniu skanowania.Otwórz obraz AFM w oprogramowaniu analitycznym i oceń morfologię, chropowatość powierzchni, histogram głębokości i średnią wielkość ziarna. Następnie należy rozładować próbkę zgodnie ze standardowymi procedurami. XPS osadzonej amorficznej warstwy dwutlenku wanadu wykazał, że powierzchnia składała się głównie z tlenku wanadu, podczas gdy większość była oczekiwaną formą tlenku wanadu.Wyżarzanie amorficznego filmu w środowisku tlenu pod niskim ciśnieniem spowodowało ustabilizowanie się powierzchni jako dwutlenku wanadu. Ogólna orientacja zero-dwa-zero wyrównała się ze szczytem szafirowego podłoża. Wąskie piki zaobserwowano za pomocą spektroskopii Ramana, co wskazuje na wysoką jakość krystaliczną.Różnice w energii szczytowej między wyrośniętym a wyżarzonym dwutlenkiem wanadu sugerowały wprowadzenie odkształcenia rozciągającego we włóknach krystalicznych. AFM wykazał, że zarówno wyrosłe, jak i wyżarzane folie miały rozmiary ziaren krystalicznych rzędu 20 do 40 nanometrów. Chropowatość średniej kwadratowej nieznacznie wzrosła z 1,4 nanometra dla folii po wyrośnięciu do 2,6 nanometra dla folii wyżarzonej.Zebrane dane dotyczące transmitancji i współczynnika odbicia oraz dane dotyczące absorpcji obliczone na podstawie tlenku wanadu w jego fazie izolacyjnej i metalicznej wykorzystano do zaprojektowania modelu oscylatora dla zależnej od temperatury i długości fali przenikalności dielektrycznej oraz współczynnika załamania światła tlenku wanadu. Zoptymalizowany model dokładnie przewidział optyczne zachowanie tlenku wanadu podczas przechodzenia z izolatora do metalu. Po jego opracowaniu, techniki te utorowały drogę naukowcom zajmującym się hodowlą cienkich warstw do zbadania możliwości wytwarzania urządzeń optycznych o regulowanym współczynniku załamania światła.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy eksperymentalną metodę osadzania cienkich warstw nanostrukturalnych tlenków za pomocą nanosekundowego pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD) w obecności gazu tła. Dzięki tej metodzie można osadzać warstwy ZnO domieszkowane Alem (AZO), od zwartych po hierarchicznie ustrukturyzowane jak lasy nanodrzew.

Wytwarzanie nanoinżynieryjnych przezroczystych przewodzących tlenków za pomocą pulsacyjnego osadzania laserowego

Opisujemy zastosowanie pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD), fotolitografii i technik łączenia drutów do tworzenia złożonych urządzeń tlenkowych w skali mikrometrycznej. PLD jest wykorzystywany do hodowli cienkich warstw epitaksjalnych. Wprowadza się techniki fotolitografii i łączenia drutowego w celu stworzenia praktycznych urządzeń do celów pomiarowych.

Wytwarzanie przestrzennie ograniczonych złożonych tlenków

Przedstawiono protokół do badania wieloelektronowych systemów baterii metalowo-powietrznych przy użyciu poprzedniej technologii opracowanej dla ogniwa cynkowo-powietrznego. Następnie przeprowadza się testy elektrochemiczne na wyprodukowanych akumulatorach w celu oceny wydajności.

Produkcja ogniw VB2/Air do badań elektrochemicznych

Ten raport opisuje użycie specjalnie zbudowanego systemu do nanoszenia aerozolowego grubych warstw granatu itrowo-żelazowego na szafirowe podłoża w RT. Osadzone błony są charakteryzowane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, profilometrii i rezonansu ferromagnetycznego, aby dać reprezentatywny przegląd możliwości tej techniki.

Tworzenie grubych, gęstych warstw granatu itrowo-żelazowego za pomocą osadzania aerozolowego

Prezentujemy syntezę organicznego ferrimagnetyku wanadowego tetracyjanoetylenu (V[TCNE]x, x~2) metodą niskotemperaturowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Ta zoptymalizowana receptura zapewnia wzrost temperatury Curie z 400 K do ponad 600 K i radykalną poprawę właściwości rezonansu magnetycznego.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej magnesu organicznego, wanadu tetracyjanoetylenu

Zaoferowaliśmy metodę bezpośredniej syntezy cienkiej warstwy ZnO o wysokiej osi c (0002) poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą. Zsyntetyzowana cienka warstwa ZnO w połączeniu z elektrodą palcową Pt została wykorzystana jako warstwa detekcyjna dla fotodetektora ultrafioletowego, wykazując wysoką wydajność dzięki połączeniu dobrej czułości i niezawodności.

Synteza i charakterystyka cienkiej warstwy ZnO o wysokiej osi c za pomocą plazmowego systemu chemicznego osadzania z fazy gazowej i jego zastosowania w fotodetektorze UV

Przedstawiono protokół beznasiennego i wysokowydajnego wzrostu matryc nanodrutowych bizmutu za pomocą techniki próżniowego termicznego odparowywania.

Bezzasieenny wzrost nanodrutu bizmutu poprzez próżniowe odparowanie termiczne

Kolumnowe struktury tlenku w postaci prętów są syntetyzowane przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane aerozolem bez użycia wstępnie osadzonych cząstek katalizatora. Metoda ta jest skalowalna i kompatybilna z różnymi podłożami na bazie krzemu, kwarcu lub polimerów.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku

Wytwarzamy heterostruktury metal/LaAlO3/SrTiO3 za pomocą kombinacji pulsacyjnego osadzania laserowego i napylania magnetronowego in situ. Poprzez eksperymenty magnetotransportu i spektroskopii rentgenowskiej fotoelektronów in situ badamy wzajemne oddziaływanie między zjawiskami elektrostatycznymi i chemicznymi quasi-dwuwymiarowego gazu elektronowego powstającego w tym układzie.

Wzrost i właściwości elektrostatyczne/chemiczne heterostruktur metali/LaAlO3/SrTiO3

W tym badaniu, opracowano szybką metodę opartą na charakterystyce stopionego jeziorka, aby oszacować grubość warstwy składników Ti-6Al-4V wytwarzanych przez ukierunkowane osadzanie energii.

Wytwarzanie pojedynczych ścieżek Ti-6Al-4V metodą ukierunkowanego osadzania energii w celu określenia grubości warstwy do osadzania wielowarstwowego

Prezentujemy odtwarzalny protokół spektroskopii piezoreflektansowej z modulacją naprężeń, który umożliwia pomiar ΔR/R z wykrywaniem lock-in dla kryształów van der Waals przeniesionych na piezoceramiczne, i wyniki z charakteryzacją bezpośrednich przejść optycznych poprzez spektra ΔR/R z wykorzystaniem pasowania pochodnej trzeciej z formułą Aspnes.

Spektroskopia piezoreflekcyjna przejść optycznych w warstwowachrystałach van der Waalsa

Poznaj metodę osadzania warstw atomowych dwutlenku wanadu i opracowanie modelu optycznego zależnego od temperatury. Technika ta umożliwia precyzyjną kontrolę grubości filmów VO₂ dla zastosowań w materiałach o regulowanym współczynniku załamania.

Osadzanie warstw atomowych dwutlenku wanadu i model optyczny zależny od temperatury

Przeglądaj więcej filmów