Summary
الأغشية الرقيقة (100-1000 Å) ثاني أكسيد الفاناديوم (فو2) تم إنشاؤها بواسطة ترسيب طبقة الذرية (المدة) على ركائز الياقوت. وفي أعقاب ذلك، اتسمت الخصائص البصرية من خلال انتقال معدن-عازل صوتي2. من الخصائص الضوئية المقاسة، تم إنشاء نموذج لوصف الانكسار الانضباطي فو2.
Abstract
ثاني أكسيد الفاناديوم هو مواد التي قد عكسها معدن-عازل مرحلة تغيير قرب 68 درجة مئوية. واختير لتنمو فو2 في مجموعة متنوعة واسعة من ركائز، مع الحجم ويفر من التوحيد ومراقبة سمك مستوى انغستروم، طريقة ترسيب طبقة الذرية. تمكن هذه العملية محددة المدة عالية الجودة، نمو منخفض الحرارة (دي وان فايف زيرو درجة مئوية) من الأفلام سامسونج (100-1000 Å) في مقطع صوتي2. لهذه التظاهرة، كانت تزرع الأفلام2 فو على ركائز الياقوت. هذا الأسلوب درجة الحرارة منخفضة النمو ينتج معظمها أفلام2 فو غير متبلور. يصلب اللاحقة في فراغ غرفة فائقة ذات ضغط 7 × 10-4 باسكال الأوكسجين فائقة النقاء (99.999%) أنتجت الموجه، الكريستالات فو2 الأفلام. كريستالينيتي، والمرحلة، وسلالة من فو2 حددت رامان الطيفي وحيود الأشعة السينية، بينما هي التي تحدد مستويات ستويتشيوميتري وشوائب مطيافية الأشعة السينية النانومترية، وأخيراً يحدده مورفولوجية مجهر القوة الذرية. وتبين هذه البيانات العالية جودة الأفلام نمت بهذا الأسلوب. تم إنشاء نموذج لتناسب للبيانات لمقطع صوتي2 في مراحلها المعدني والعزل في المنطقة الطيفية تحت الحمراء القريب. سماحية والانكسار "فو المدة"2 اتفق تماما مع أساليب التصنيع الأخرى في مرحلته العازلة، ولكن أظهرت فرقا في حالته الفلزية. وأخيراً، تحليل الخصائص البصرية للأفلام تمكين إنشاء نموذج الانكسار الضوئي المعقدة لتطوير فو2 كمادة الانضباطي إنكسار تعتمد على الطول الموجي، ودرجة الحرارة.
Introduction
ثاني أكسيد الفاناديوم يخضع لمرحلة انتقالية مرحلة بلورية قرب 68 درجة مئوية. ينتج هذا تغيير هيكلي كريستال من أحادي ميل تيتراجونال. منشأ هذا التحول تبقى مثيرة للجدل1من البحوث التي أجريت مؤخرا مع ذلك هو المساعدة على تطوير فهم العمليات التي تنتج هذا الانتقال2،،من34 . بغض النظر عن الأصل، يتغير طور انتقال الخصائص البصرية ل مقطع صوتي2 من عازل (تحيل الضوء) في درجة حرارة الغرفة إلى مادة معدنية أكثر (مما يعكس وامتصاص الضوء) فوق درجة حرارة التحول2 .
وقد استخدمت مجموعة متنوعة من الأساليب اختﻻق فو2 في الماضي (اﻷخرق المادية بخار ترسب ترسب البخار الكيميائي، تنضيد الحزمة الجزيئية، والحل،، إلخ.) 5-خصائص مقطع صوتي2 يعتمد إلى حد كبير على التكنولوجيا المستخدمة لاختلاق الأفلام يصلب6، التي أنتجت تباين كبير بين تقنيات مختلفة للنمو واللاحقة وأدت إلى اختلاف كريستالينيتي والأفلام خصائص. يحقق هذا العمل الخصائص البصرية لذرية طبقة أودعت (المدة) نمت الأفلام، بيد أن النهج ينطبق على نمذجة جميع أنواع الأفلام2 فو.
في الآونة الأخيرة، بناء مجموعات الأجهزة البصرية بدمج طبقات رقيقة من فو2 على ركائز الضوئية. كطريقة ترسيب جديدة تنمو بسرعة، المدة يمكن أن تساعد في اختﻻق هذه الأجهزة البصرية ومزايا عديدة على تقنيات بديلة، مثل مساحة كبيرة من التوحيد، للتحكم في سمك مستوى انغستروم، والفيلم الامتثالي التغطية7 ،،من89. المدة هو الأسلوب المفضل للتطبيقات التي تتطلب نهجاً ترسيب طبقة بطبقة الذاتي الحد، افتراء على طائفة واسعة من المواد الركيزة (مثلاً.، للتكامل غير متجانسة)، أو طلاء الامتثالي من 3D هياكل10 . وأخيراً، الطلاء الامتثالي من هياكل ثلاثية الأبعاد لعملية التعيينات المحددة المدة مفيد بشكل خاص في التطبيقات البصرية.
للتجارب في هذه الورقة، سامسونج، غير متبلور الأفلام المدة كانت تزرع في مزدوجة--الجانب المصقول، ركائز الياقوت ج-الطائرة في انخفاض درجات الحرارة وتعتيق في بيئة أكسجين إنتاج أفلام عالية الجودة البلورية. استخدام القياسات التجريبية، يتم إنشاء نموذج للتغيرات البصرية تعتمد درجة الحرارة والطول الموجي في فو2 لتمكين استخدامها كانكسار الانضباطي مواد11.
Protocol
تنبيه: استشارة جميع صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام، وتتبع جميع ممارسات السلامة المناسبة والإجراءات. يستخدم نمو ثاني أكسيد الفاناديوم ترسيب طبقة الذرية على مفاعل التعيينات المحددة المدة. والسلائف المستخدمة لنمو محددة المدة هي tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (تيماف) والأوزون (التي تم إنشاؤها من فائقة النقاء، يارثلينك، غاز الأكسجين 99.999% 0.3 تدفق حركة تحرير السودان والمبادرة 5 دعم الضغط). وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام غاز النيتروجين يارثلينك (99.999%) لتطهير قاعة المفاعل. للفراغ اللاحقة يصلب، يتم استخدام غاز الأكسجين يارثلينك أثناء الصلب والنيتروجين يارثلينك للتنفيس. تيماف القابلة للاشتعال ويجب استخدامه فقط مع الضوابط الهندسية المناسبة. غاز الأوكسجين المضغوط يشكل خطرا ويجب استخدامه فقط مع الضوابط الهندسية المناسبة. غاز النيتروجين المضغوط يشكل خطرا ويجب استخدامه فقط مع الضوابط الهندسية المناسبة. جميع الغازات (تيماف والأكسجين والأوزون والنيتروجين) متصلة بالمدة المفاعل باستخدام ضوابط السلامة الهندسية المناسبة. الفولاذ المقاوم للصدأ الأنابيب يربط مولد الأوزون إلى المفاعل التعيينات المحددة المدة، نظراً لأنها أنظف وأكثر موثوقية ثم البلاستيكية أنابيب. مصادر الأكسجين والنيتروجين يارثلينك منفصلة متصلة الفراغ الصلب الدائرة باستخدام ضوابط السلامة الهندسية المناسبة قبل بدء هذا الإجراء. 2-بروبانول والاسيتون المهيجات ويجب استخدامه فقط مع الشخصية الواقية المعدات وسلامة الإجراءات المناسبة (مثلالقفازات غطاء الدخان،، إلخ.)
1. ترسيب طبقة ذرية ثاني أكسيد الفاناديوم على ركائز ياقوت
- تنظيف الركازة ج-Al2O3 (الياقوت) على النحو التالي: المذيبات تنظيف الركازة في الأسيتون عند 40 درجة مئوية في سونيكاتور لمدة 5 دقائق، ثم نقله مباشرة (لا شطف) إلى 2-بروبانول عند 40 درجة مئوية و sonicate لأدنى 5 شطف الركيزة في تشغيل منزوع المياه لمدة 2 دقيقة، والجافة مع غاز النيتروجين.
- التأكد من أن الدائرة مفاعل المدة عند 150 درجة مئوية والتنفيس عن المفاعل المدة مع غاز النيتروجين.
- تحميل تنظيف الركازة الياقوت في المفاعل وإغلاق المفاعل، ومضخة < 17 فراغ السلطة الفلسطينية. الانتظار على الأقل 300 s للتأكد من أن العينة تصل إلى 150 درجة مئوية.
- إعداد قاعة المدة التي تتدفق sccm 20 يارثلينك النيتروجين في الدائرة (ضغط قاعدة لا ينبغي أن تتجاوز 36 السلطة الفلسطينية)، وثم بالنبض الأوزون لدورات المشبعة 15، حيث يتم دورة واحدة نبض 0.05-s متبوعة تصريف s 15.
- أن ينمو ثاني أكسيد الفاناديوم، نبض تيماف ل 0.03 s تليها 30 s التصريف، ثم الأوزون نبض ل 0.075 s متبوعاً تطهير 30 ثانية. كرر هذا النبض وتطهير دورة حتى يتم التوصل إلى النمو المنشود.
ملاحظة: هذه العملية خطية تقريبا مع معدل نمو نسبته 0.7-0.9 في كل دورة. - إزالة العينة من المفاعل التعيينات المحددة المدة بالتنفيس أول قاعة المفاعل المدة مع يارثلينك غاز النيتروجين. ضع العينة على لوحة معدنية (بالوعة الحرارة) لتبريد أن درجة حرارة الغرفة. إغلاق المفاعل التعيينات المحددة المدة، ومضخة < 17 فراغ السلطة الفلسطينية. الآن يتضمن العينة لهيدا أكسيد فاناديوم غير متبلور في الركازة الياقوت.
تحذير: إزالة العينة بعناية، حيث يتم تسخين العينة إلى 150 درجة مئوية.
2-الصلب
ملاحظة: إنتاج الأفلام2 فو نمت بأسلوب التعيينات المحددة المدة في الخطوة 1 غير متبلور فو2. لإنشاء الكريستالات المنحى فو2 الأفلام، هي تعتيق العينات في فراغ فائقة مخصصة الصلب الدائرة مع صليب السداسية. للحفاظ على نظافة قاعة انلينغ، يتم إنشاء تأمين حمولة إدراج وإزالة عينات. 3 قطرها سخان مقاومة أكسجين يتكون من سخان أسلاك البلاتين مخصصة. ويوفر هذا السخان الإشعاعي التدفئة مزلقة الأنكونيل المؤكسد، التي يتم تحميلها العينات. وقد مزلقة اﻻبتعاثية عالية لنقل الحرارة جيدة من السخان للعينات.
- ضمان مزلقة في قفل التحميل، ثم التنفيس عن قفل التحميل مع يارثلينك غاز النيتروجين، وفتح قفل التحميل. ضع العينة على مزلقة في تأمين الحمولة وإغلاق التحميل قفل الدائرة.
- مضخة قفل التحميل إلى ~0.1 السلطة الفلسطينية باستخدام مضخة التخشين. وبعد ذلك، قم بالتبديل إلى المضخة التوربينية، وتأمين تحميل مضخة < 10-4 بنسلفانيا فتح صمام بوابة ونقل مزلقة إلى الدائرة انلينغ، ومضخة الصلب الدائرة إلى < 10-5 السلطة الفلسطينية.
- تدفق 1.5 sccm فائقة النقاء (يارثلينك، 99.999%) الأكسجين في قاعة انلينغ.
ملاحظة: تشغيل الأكسجين من خلال وحدة التحكم بالتدفق الجماعي sccm 5 لضمان معدل تدفق منخفض. يجب أن يكون الضغط بين 1 × 10-4 و 7 × 10-4 السلطة الفلسطينية. هذا الضغط يجب أن يتحقق قبل العينة تصل إلى 150 درجة مئوية. - الحرارة مزلقة إلى 560 درجة مئوية (التدبير مع البيرومتر والحرارية) استخدام تدفئة منحدر معدل ~ 20 درجة مئوية/دقيقة عقد مزلقة في 560 درجة مئوية ح 2 (ل 300 الفيلم).
ملاحظة: الوقت انلينغ سمك يتوقف. البيانات التجريبية تقترح الصلب 1 ح لعينات < 250 Å سميكة، ح 2 لعينات > 250 Å لكن < 500 Å سميكة، و 3 ح لعينات > 500 Å سميكة. - آرو العينة عن طريق إيقاف تشغيل السخان وإزالة مزلقة من الجمعية سخان (نحو تأمين الحمولة).
- الاحتفاظ العينة في البيئة الأوكسجين حتى يصبح درجة حرارة العينة أقل من 150 درجة مئوية (مثلاً، استخدام البيرومتر في قفل التحميل لقياس درجة حرارة العينة).
ملاحظة: تحقيق أفضل عينات بالانتظار حتى درجات حرارة أكثر انخفاضا. بمجرد العينة < 150 درجة مئوية، إيقاف تدفق الأكسجين وإغلاق صمام البوابة. - التنفيس بغاز النيتروجين يارثلينك. إزالة عينة في < 50 درجة مئوية ومكان العينة على لوحة معدنية (بالوعة الحرارة) لتبرد بدرجة حرارة الغرفة. إغلاق قفل التحميل مع مزلقة فارغة ومضخة إلى 0.1 السلطة الفلسطينية باستخدام مضخة التخشين. قم بالتبديل إلى المضخة التوربينية، وتأمين تحميل مضخة < 10-4 السلطة الفلسطينية.
3. وصف
- فحص العينة باستخدام مطيافية رامان مع مصدر إثارة ليزر 532 نانومتر.
- تحميل العينة في مجهر ووضعها موضع التركيز. التحقق من تركيز العينة صورة الكاميرا في البرنامج. مجموعة المسح الضوئي "طاقة الليزر" إلى 4 ميغاواط، و "وقت التعرض" إلى 0.125 ثانية، "عدد من الأشعة" إلى 10، وحجم المعاينة إلى 40 ميكرومتر.
- انقر فوق "الطيف العيش" لمراقبة الطيف رامان. تحسين التركيز وطاقة الليزر وزمن التعرض للضوء وعدد عمليات التفحص تحقيق أقصى قدر من إشارة إلى نسبة الضوضاء. انقر فوق حفظ الطيف لحفظ البيانات.
فتح الطيف في أومنيك. انقر فوق الزر "البحث عن تيفاتول" التعرف على قمم. تحديد كريستالينيتي والمرحلة (فو2 مقابل فو، الخامس2O3، الخامس2س5، إلخ.) والسلالة بالمقارنة بين قمم إلى مرجع البيانات أكاسيد الفاناديوم12،13.
ملاحظة: قمم ضيقة تبين بلورات ذات جودة عالية، في حين تقوية رامان فونون وسائط 193 و 222 و 612 سم-1 و/أو تليين الوضع-1 سم 389 مؤشرات إجهاد الشد في كريستال2 فو.
- تحديد الاتجاه، وكريستالينيتي، ومرحلة من حيود الأشعة السينية (XRD).
ملاحظة: ظهور قمم في أطياف زرد يشير إلى طبيعة بنية بلورية، على وجه التحديد ببنية بلورية والتوجه. تحديد اتجاه فو2 ما يناسبها من زاوية 2Θ ذروة البيانات XRD لبطاقات العضوية كريستال هيكل قاعدة البيانات (المركز) لطائرات مختلفة من فو2. تحديد المرحلة ما يناسبها من قمم بيانات لبطاقات مراحل أكسيد الفاناديوم مختلفة. وكان إجراء مقارنة دليل الذري التجريبي لقاعدة البيانات الموحدة في هذا العمل. التحقق من جودة كريستال2 فو ذروة2 مقطع صوتي واحد في درجات 39.9 ويوضح الاتجاه (020) أحادي ميل. - تحديد مستويات ستويتشيوميتري وشوائب بواسطة مطيافية الأشعة السينية النانومترية (XPS)
- تحميل العينة على صاحب العينة. فتح البرنامج وانقر فوق تأمين تحميل تنفيس. إدراج حامل عينة في تأمين الحمولة، وانقر فوق مضخة أسفل. الانتظار حتى الضغط < 4 × 10-5 بنسلفانيا. انقر فوق الزر نقل لنقل صاحب العينة داخل الدائرة. تحقق من ضغط الدائرة < 7 × 10-6 السلطة الفلسطينية.
- إدخال معلمات القياس في شجرة التجربة. قم بتشغيل الأشعة السينية بندقية مع 400 ميكرون حجم البقعة ثم قم بتشغيل على بندقية الفيضانات. إضافة نقطة لقياس المسح، ثم قم بإضافة نقاط لفحص دقة عالية من عناصر السلائف (C و N) فضلا عن عناصر الفيلم (V و O). لكل قياس، أضف تمرير الطاقة (eV 200 للمسح و 20 eV لمسح عالية الاستبانة) وعدد من الأشعة (2 أو أكثر للمسح و 15 لدقة عالية).
- ضع الشعيرات المتصالبة لقياس نقطة في الموقع الذي تريده في النموذج. انقر فوق وتسليط الضوء على عنوان شجرة التجربة وثم انقر فوق "التجريبية تشغيل" على شريط القوائم لتنفيذ جميع عمليات التفحص في القياس.
- تنفيذ الإجراء معرف الدراسة الاستقصائية لتحديد وتحليل العناصر الموجودة في الفيلم. حدد "دليل ذروة إضافة" متبوعاً "الذروة تناسب" أزرار لتحليل الترابط في فحص البيانات ذات الدقة العالية. تحديد ستويتشيوميتري بأخذ نسبة شدة الذروة المتكاملة وفقا لكتيب XPS14.
- عند الانتهاء من إيقاف تشغيل البنادق، ثم انقر فوق الزر "نقل" لنقل صاحب العينة إلى قفل التحميل. عندما تكون العينة في قفل التحميل، انقر فوق تأمين تحميل تنفيس وتفريغ العينة.
ملاحظة: وهذا يحدد وجود جميع العناصر في الدراسة، وبالتالي تحديد الشوائب. إظهار قمم XPS في محددة ملزمة الطاقات التكافؤ أكاسيد الفاناديوم، كما هو مبين في الشكل 1. على سبيل المثال، أن هذه النتائج تظهر اثنين قياسات XPS التمثيلية التي تم الحصول عليها بعمق التنميط بمسدس أيون كتلة النقش العينة المودعة ك. يظهر قياس XPS على سطح ذروتها في eV ~ 518 مما يدل على وجود الخامس2س5، بينما يظهر قياس XPS العينة محفوراً (في الجزء الأكبر من الفيلم) ذروتها في ~ 516 eV مما يدل على وجود مقطع صوتي2. الكامل-العرض-في-النصف-ماكس يشير إلى توحيد الربط الفاناديوم في الأفلام (وبعبارة أخرى، نقاء المرحلة). وباﻹضافة إلى ذلك، تحليل أخرى الطاقة الذري تمكنك من تحديد يلوث (> 1%).
- تحديد مورفولوجيا باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM)
- قم بتشغيل الكمبيوتر والإلكترونيات فؤاد. بدء تشغيل البرنامج نانوسكوبي وحدد "وضع التنصت"، ثم اختر تحميل التجربة. تهيئة المرحلة.
- اتبع الترتيب التجريبي على الجانب الأيسر من الشاشة، ثم انقر فوق "القائمة الإعداد". استخدام عناصر تحكم التركيز للبصريات التركيز على ناتئ. قم بمحاذاة الليزر على التحقيق بواسطة النقر فوق "تحسين موقف الليزر". انقر فوق الزر للكشف عن أوتواليجن ومن ثم انقر فوق ناتئ Autotune.
- تحميل عينة وشغل الفراغ.
- انقر فوق زر التنقل واستخدام trackball لوضع العينة تحت الرأس. انقر فوق "انعكاس نصيحة" وخفض رأس سطح العينة باستخدام Trackball، أثناء الضغط على زر التركيز حتى التلميح في التركيز. انقر فوق الزر نموذج وإغلاق غطاء فؤاد.
- انقر فوق القائمة المعلمة الاختيار. التأكد من حجم المسح < 1 ميكرومتر ومجموعة العينات/الخط إلى 512. انقر فوق الزر "قائمة الاشتراك". الانتظار 20 ثانية.
- قم بتعيين حجم المسح الضوئي ل 3 ميكرومتر والإجازة بسرعة المسح الضوئي في 3.92 هيرتز. تحسين الصورة، إذا لزم الأمر، عن طريق تغيير معلمات: محرك السعة والسعة تعيين نقطة والمكاسب لا يتجزأ وبما يتناسب مع.
- التقاط الصورة المطلوب بالنقر فوق الزر "أسفل الإطار" متبوعاً "الزر التقاط". وبعد المسح الضوئي، انقر فوق زر سحب.
- انقر نقراً مزدوجاً فوق الصورة المطلوب فتحها في برامج التحليل. تحديد مورفولوجيا، انقر فوق الزر سطح ومن ثم انقر فوق تنفيذ. استخراج المعلمات الإحصائية بواسطة النقر فوق خشونة لحساب خشونة السطح ثم انقر فوق "تحليل الجسيمات" لحساب الرسم البياني العمق ويعني حجم الحبوب.
- انقر فوق القائمة "التنقل"، وانقر فوق "الموضع تحميل عينة". إيقاف الفراغ وإلغاء تحميل النموذج.
ملاحظة: للاتساق من نموذج بعينه، تبقى معلمات التفحص فؤاد نفسه.
- تحديد نفاذية الضوئية والانعكاس.
- استخدام مصدر ضوئي الانضباطي وقياس نفاذية الضوئية وحدوث الانعكاس في (أو بالقرب من) الطبيعي في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء. معايرة النظام دون عينة منافذه 100% ومع مرآة الذهب للقرب من الانعكاس 100%.
- تحميل مقطع صوتي2 عينة على خشبة المسرح، التحكم في درجة الحرارة. تثبيت العينة على درجة الحرارة المرغوبة. قياس نفاذية والانعكاس على النطاق الطيفي المطلوب، على سبيل المثال، في جميع أنحاء منطقة الأشعة تحت الحمراء القريب.
ملاحظة: لتحقيق أفضل النتائج، درجة الحرارة يجب أن تكون متنوعة على الأقل 20 درجة مئوية فوق وتحت درجة حرارة التحول من فو2 (عادة، 68 درجة مئوية).
4-نمذجة الثوابت الضوئية (سماحية والانكسار)
- نموذج سماحية عازل المعقدة، اليورو، كدالة للطاقة فوتون، الإلكترونية، باستخدام المعادلة التالية (حيث هو اليورو∞ سماحية عالية التردد متبوعاً بمجموع التذبذب n حيث ن هو مذبذب السعة، هن الطاقة مذبذب، و بن التخميد المذبذب):
ملاحظة: برامج Matlab مخصص تم تحليلها وعلى غرار البيانات. - أدخل المعلمات المعروفة للركيزة الياقوت في الخطوة 4، 1، واستخدام هذه لاحتساب سماحية عازل كدالة لطول الموجه الضوئية. ثم حساب الانكسار (n = √ε)، واستخدام الانكسار، حساب الانعكاس ومنافذه من الركازة.
- مقارنة نتائج الخطوة 4.2 مع البيانات المقاسة ومن ثم استخدام أسلوب الأمثل (مثل ميد Nelder15) لتحديث معلمات الإدخال من الخطوة 4، 2 من أجل تقليل الخطأ بين النتائج المقاسة والمحسوبة، وبالتالي الاستفادة المثلى من المعلمات للركيزة الياقوت.
- تقدير معلمات ل مقطع صوتي2 في المعادلة في الخطوة 4، 1، واستخدامها لاحتساب سماحية عازل. ثم حساب الانكسار (n = √ε) واستخدام ذلك، جنبا إلى جنب مع فو2 سمك وسمك الركيزة والانكسار (من الخطوة 4، 3)، والطول الموجي البصري، الاستقطاب الضوئي وينسدنس كمدخلات ل نقل16 إلى الحصول على الانعكاس ومنافذه من الركازة2 مغلف مقطع صوتي. تستخدم أسلوب الأمثل (مثل ميد Nelder15) تحديث معلمات الإدخال2 فو وتقليل الخطأ بين النتائج المقاسة والمحسوبة، وبالتالي تحسين المعلمات فو2.
- نفذ الخطوات 4.2 إلى 4.4 درجات عدة تمتد الدول العازلة والمعدني من ثاني أكسيد الفاناديوم (درجات حرارة من 30 إلى 90 درجة مئوية). نموذج الاعتماد على درجة الحرارة من الانكسار فو2 على النحو التالي:
حيث اليوروVO2(T) هو الانكسار فو2 كدالة لدرجة الحرارة، اليوروins و اليوروالمعدنية هي سماحية عازل لمراحل العزل والمعدني، و f(T) هي دالة تعتمد على درجة حرارة تحكم توزيع الخصائص الضوئية العازلة والمعدني. استخدام وظيفة فيرمي-ديراك-مثل f(T) لتنظيم الانتقال بين الدولة العازلة والمعدني، مماثلة تقريبية المتوسطة اعتبارا من17،18،19، قدمها:
تيتي فيها درجة حرارة التحول و ث يتحكم عرض الانتقال. - تستخدم أسلوب الأمثل لتحديث المعلمات (ث وترينيداد وتوباغو) في معادلة f(T) لتقليل الخطأ بين النتائج المقاسة والمحسوبة، وبالتالي تحسين درجة حرارة التحول والعرض. هذه النتائج في نموذج تعتمد درجة الحرارة والطول الموجي سماحية عازل والانكسار من فو2.
Representative Results
لتحديد نوعية محددة المدة نمت أكسيد الفاناديوم، مطيافية الأشعة السينية النانومترية (XPS) أجرى على المودعة، وأساساً غير متبلور الأفلام2 فو (الشكل 1)، فضلا عن تعتيق البلورية فو2 الأفلام (غير معروضة). حيود الأشعة السينية (XRD) أجريت على أفلام2 فو الملدن (الشكل 2). وبالإضافة إلى ذلك، للمساعدة في تحديد حجم التشكيل الجانبي الرأسي لمادة الكيمياء داخل الفيلم، عمق التنميط وأجرى مع مصدر أيون كتلة إلى أدنى حد من النقش تفضيلية للأنواع الموجبة/شاردة. آثار الممثل اثنين مبينة في الشكل 1، أحدهما على السطح والآخر في الجزء الأكبر. بعمق الشخصية واللاحقة XPS القياسات تبين أن 1-نيوتن متر أعلى من الفيلم المودعة ليس فو2 نظراً للأوكسجين (العرضي) البيئي الزائد والكربون، ولكن بعد أكثر التحكم الداخلي انلينغ في الأوكسجين الضغط المنخفض حتى سطح تستقر فو2. وأجريت قياسات حيود الأشعة السينية بمصدر الطاقة الأشعة السينية Cu كالفا وتظهر في الشكل 2، ذروة2 مقطع صوتي واحد في 39.9˚. التوقيع هذا الذروة التحقق من نوعية فو نابعة من المدة2 ، فضلا عن أن اتجاه كريستال (020) بمحاذاة مع الركيزة الياقوت في ذروة.
تحليل كريستالينيتي والمرحلة، والسلالة، أنجز رامان الطيفي باستخدام ليزر 532 نانومتر للإثارة. الشكل 3 يبين طيف رامان من الفيلم2 فو ويبين قمم الضيقة التي تشير إلى بلورات ذات جودة عالية. وبالإضافة إلى ذلك، تشير إلى زيادة الطاقة في الفونونات التردد المنخفض فاناديوم-الفاناديوم (193 و 222 من سم-1) وطريقة-1 سم 612، فضلا عن انخفاض طاقة الوضع-1 سم 389، إجهاد الشد في هذه الأفلام12، 13.
ولاحظ مورفولوجية مجهر القوة الذرية (AFM). ويبين الشكل 4 كريستال الحبوب أحجام تتراوح بين 20-40 نانومتر وخشونة جذر-يعني-ساحة (RMS) 1.4 شمال البحر الأبيض المتوسط للأفلام المودعة (الشكل 4 أ) وخشونة RMS 2.6 نانومتر للأفلام الملدن (الشكل 4 باء).
تم الحصول على بيانات منافذه والانعكاس الضوئي باستخدام مصدر ضوء أبيض مع مونوتشروماتور مسح وفوتوديتيكتور، التي قدمت تغطية مرئية وقرب منطقة الأشعة تحت الحمراء. يبين الشكل 5 الاعتماد على درجة الحرارة من الفيلم كالانتقال من عازل لمعدن، مما يدل على درجة حرارة انتقال من 61 درجة مئوية. تحليل البيانات التجريبية من نماذج سماحية تعتمد درجة الحرارة والطول الموجي فو2 كما في الانتقال من عازل للمعادن. يبين الشكل 5 كيف النموذج يتنبأ بدقة سلوك البصرية عند استخدام المعلمات في الجدول 1.
الشكل 1: XPS الممثل القياسات من 35-نانومتر سميكة فو2 ج-Al2O3. XPS يبين أن الجزء الأكبر الفيلم هو فو2 بينما السطح، والذي يحتوي على ج وس يلوث، وتحول أكثر إلى الخامس2س5. وتقترح stoichiometry فو2. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2: قياسات XRD 35 نانومتر سميكة فو2 ج-Al2O3. "زرد هذا" القياس يبين ذروة2 مقطع صوتي واحد في 39.9˚ أن يتحقق من نوعية كريستال بشكل مستقل ويوضح اتجاه أحادي ميل (020) تتماشى مع ذروة الياقوت الكامنة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3: أطياف رامان فو2 ج-Al2O3. هذا الطيف رامان قمم ضيقة، مما يشير إلى بلورات ذات جودة عالية، وتظهر سلالة شد طفيف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4: مورفولوجية فو2 ج-Al2O3. "فؤاد" صور تظهر الأفلام موحدة ومستمرة مع أحجام الحبوب يقارب 20-40 شمال البحر الأبيض المتوسط وجمهورية مالوكو الجنوبية روغنيسيس (A) 1.4 نيوتن متر للفيلم كما نمت و (ب) 2.6 نانومتر للفيلم ملدنة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5: نفاذية الضوئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء والانعكاس من 35-نانومتر سميكة فو2 ج-Al2O3. سلوك منافذه البصرية تعتمد على درجة الحرارة وانعكاس لفيلم ثاني أكسيد الفاناديوم يتم إظهار الساعة 40، 60 و 70 و 90 درجة مئوية. الدوائر المفتوحة في المؤامرة هي منافذه المقاسة والانعكاس، والمحسوب أبسوربتانسي فو2 في هيكل الياقوت في درجات حرارة مختلفة، بينما الخطوط الصلبة هي القيم المتوقعة من درجة الحرارة ثنائي الأبعاد-و نموذج تعتمد على الطول الموجي لمقطع صوتي2. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
| اليورو∞ | مكتب المنسق الخاص. 1 | مكتب المنسق الخاص. 2 | ||
| عازل | ||||
| 3.4 | هن | 3.8 | 1.2 | |
| ن | 33 | 2.1 | ||
| بn | 1.4 | 1.3 | ||
| المعادن | ||||
| 4.5 | هن | 3.2 | 0.6 | |
| ن | 13 | 5.3 | ||
| بn | 1.1 | 1 | ||
الجدول 1: معلمات النموذج الممثل لمقطع صوتي 2 . هذه المعلمات هي الممثل لتلك المستخدمة في نموذج مذبذب لتقدير سماحية فو2 في مراحلها المعدني والعزل.
Discussion
توفير النمو الأساليب الموصوفة هنا استنساخه من نتائج فيما يتعلق بالتوحيد، والكيمياء، وهيكل، ومورفولوجيا. السلائف الفاناديوم أمر حاسم لإنتاج stoichiometry الصحيح المودعة كالأفلام التعيينات المحددة المدة. وتعزز هذه السلائف خاصة الدولة التكافؤ + 4 الفاناديوم، خلافا للعديد من الآخرين المدرجة في الأدبيات التي تعزز الدولة التكافؤ + 5 أكثر شيوعاً. بالإضافة إلى ذلك، هذه السلائف خاصة ضغط بخار منخفض نسبيا وتتطلب تدفئة لتوفير جرعة كافية تشبع الظروف نظراً. منذ بدء هذه السلائف للحط من حوالي 175 درجة مئوية، هذا بتعيين حد أقصى درجات حرارة أعلى لتدفئة كلا من السلائف ونمو محددة المدة. جانب آخر من جوانب حاسمة لتحقيق ستويتشيوميتري الصحيح هو تركيز الأوزون (~ 125 مغ/لتر هنا) خلال الجرعات. غالباً ما تركز الأوزون التي ينتجها مولد تحت ظروف معينة يحط من قدر أو الانجرافات على مر الزمن. إذا حدث هذا، نبض الأوزون والمدد تطهير سوف يتعين تعديلها للحفاظ على stoichiometry، مورفولوجيا، ورقاقة التوحيد. ما يرد هنا هو كيف ينمو "فو المدة"2 على ركائز الياقوت ج-الطائرة، التي تشمل الأوزون في الموقع قبل العلاج. تعتمد الخطوات قبل النمو للتنظيف والطلاء على الركازة؛ غير أن العملية الموصوفة هنا يعمل لمعظم ركائز (خاملة، أكاسيد المعادن، إلخ.) لتحديد أفضل تنظيف الإنهاء والتحضير للنمو2 فو، ينبغي النظر تفاعلية بين الأنواع الإنهاء والسلائف الفاناديوم مع التقليل من أي أكسيد الأصلي على الركازة. وأخيراً، أثبتت هذه العملية على ركائز ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع (حتى ~ 100) لكن للحالات القصوى، ينبغي النظر التعرض أو الأسلوب المدة الثابتة لتعزيز كونفورماليتي كذلك.
القدرة على تحقيق جودة عالية، "فو المدة" البلورية2 الأفلام تعتمد تماما على المعلمات انلينغ ترسب بعد. أن الجانب الأكثر أهمية هو الضغط، وعلى وجه التحديد الضغط الجزئي للأوكسجين. الأكسجين المرتفعة الضغوط تؤدي إلى نمو فاسيتينج والحبوب، مما تسبب في نهاية المطاف في تشكيل أسلاك متناهية الصغر، فضلا عن النتائج في المرحلة5 2س ت. إذا كان ضغط الأكسجين منخفضا جداً، هو تعتيق الأوكسجين من الأفلام الناتجة في المرحلة3 2س ت. وهكذا، للحفاظ على المرحلة الصحيحة وتقليل خشونة الفيلم، ضغط الأكسجين ينبغي الإبقاء على في النطاق من 1 × 10-4 إلى 7 × 10-4 السلطة الفلسطينية. وبالمثل، درجة الحرارة أمر حاسم لكلا يجري قادرة على بلورة الفيلم والحفاظ على ستويتشيوميتري وتقليل تخشين من الفيلم. في حين أن من الصعب قياس درجة حرارة الفيلم2 فو، توحي النتائج التجريبية أن تبلور تتطلب المرحلة درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية. في درجات حرارة أعلى، أنه من الصعب الحفاظ على ستويتشيوميتري الصحيح والمرحلة وإنتاج أفلام مجانية الثقب. كما أن هناك مفاضلة بين درجة الحرارة وأنيل الوقت، وعلى وجه التحديد أعلى درجات الحرارة يمكن أن تقلل من الوقت أنيل. بالإضافة إلى ذلك، أن مدة أننيال ارتباطاً مباشرا بسمك الفيلم. أفلام سمكا تتطلب وقت أطول لتحقيق الحد الأقصى من بلورة. وهكذا، ضغط الأكسجين، يصلب درجة الحرارة، ويصلب الوقت المبين في الأساليب المذكورة أعلاه كانت الأمثل لإنتاج عالية الجودة أفلام2 فو الذي يحمل أكبر تغيير الخصائص البصرية عند درجة حرارة التحول مثالية تقريبا. أخيرا، يصلب التعلية وتبريد معدلات خلال الأكسجين يكون لها تأثير على خشونة ومورفولوجيا؛ أبطأ وهذه بأكثر سلاسة الأفلام.
ترسب التعيينات المحددة المدة واللاحقة يصلب فو2 تنتج الأفلام الكريستالات المنحى مع مساحة كبيرة من التوحيد. المدة عروض الأفلام كونفورمالي تزرع في مورفولوجيس نانوية ثلاثية الأبعاد من تقريبا أي الركيزة. هذا يتيح إدماج2 فو في تطبيقات جديدة، وهو مناسبة خاصة تماما للأجهزة البصرية.
عقب النمو والقياسات الضوئية، يتم إنشاء نموذج الذي يوفر مناسباً للبيانات لكل منافذه ومراحل الانعكاس فو2 في معدنية والعزل في المنطقة الطيفية تحت الحمراء القريب (ص2 = 0.96-0.99). انعكاس لمرحلة العزل الأشعة تحت الحمراء هو العملية الأكثر تحديا في خلق هذا النموذج. تم إضافة شروط إضافية مذبذب، ولكن أدى هذا إلى زيادة درجة تعقيد نموذج، إلا بشكل هامشي تحسين الملاءمة في هذه المنطقة. تجدر الإشارة إلى أن في هذا النموذج، تراكب التذبذب لورينتز مشترك ضوئية النموذجية ولا تتوافق بالضرورة مع انتقالات إلكترونية محددة. في البداية، النماذج شملت مدة درود، ومع ذلك، بعد الرياضي الأمثل، درود أساسا القضاء على المدى. ولهذا السبب، بحثت العديد من تقنيات التقليل إلى أدنى حد. ومع ذلك، هذه التقنيات المختلفة المتقاربة عند حلول مماثلة لا تشمل فترة درود. يمكن أن يكون غياب مصطلح درود في "المدة فو"2 بسبب عدد من العوامل، مثل 1) يخدر-أشباه الموصلات-مثل المقاومة، أو 2) تحولاً تردد بلازما إلى انخفاض الطاقات و/أو معدل التصادم الكبيرة (مصطلح التخميد)، يوافق معدني خصائص هذه الأفلام.
في مرحلة العزل، T < 60 درجة مئوية وسماحيه الانكسار "فو المدة"2 تتفق تماما مع أساليب التصنيع الأخرى (محببة4،،من2021 والليزر النبضي ترسب22 ،23). في حالة معدنية، T > 70 درجة مئوية، هذه الأفلام المدة يحمل خسارة أقل من فو2 ملفقة بأساليب أخرى. من المهم أن نلاحظ أنه في حين تصنيع مختلف أساليب إنتاج قيم مختلفة نوعا ما سماحية والانكسار من فو2، جميع الأفلام تظهر اتجاهات مماثلة.
النموذجي في هذه الورقة الاعتماد على درجة الحرارة والطول الموجي سماحية الضوئية والانكسار تتفق تماما مع البيانات المقاسة تجريبيا. يوضح هذا النموذج قدرة على إنتاج نوعية جيدة تلائم البيانات الضوئية المقاسة أنه موثوق يمكن التنبؤ بها الخصائص البصرية لمقطع صوتي2 المرحلة التغييرات من عازل لمعادن. استخدام هذه النماذج، الخصائص البصرية لمقطع صوتي2 يمكن التنبؤ ضبطها بدرجة الحرارة، وسمك، والطول الموجي لتصميم النظم البصرية التي تحقق الأهداف الثابتة والدينامية. تمكين هذه النماذج في تصميم وتطوير النظم البصرية باستخدام مقطع صوتي2 في أنظمة السلبي والإيجابي عن طريق تعديل سمك الفيلم فضلا عن درجة الحرارة.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل البرامج الأساسية في "مختبر أبحاث البحرية الأمريكية".
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| c-Al2O3 | |||
| UHP Oxygen | Air Products | ||
| UHP Nitrogen | Air Products | ||
| Tetrakis (ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) | Air Liquide | ||
| Acetone | Fischer Scientific | A18-4 | |
| 2-propanol | Fischer Scientific | A416P-4 | |
| Savannah S200-G2 | Veeco - CNT | Savannah S200-G2 | |
| ozone generator | Veeco - CNT | ozone generator | |
| Platinum wire heater | HeatWave Labs | custom |
References
- Park, J. H., et al. Measurement of a solid-state triple point at the metal-insulator transition in VO2. Nature. 500 (7463), 431-434 (2013).
- Yang, Z., Ko, C., Ramanathan, S. Oxide Electronics Utilizing Ultrafast Metal-Insulator Transitions. Annu. Rev. Mater. Res. 41 (1), 337-367 (2011).
- Tan, X., et al. Unraveling Metal-insulator Transition Mechanism of VO2 Triggered by Tungsten Doping. Sci. Rep. 2, 466 (2012).
- Verleur, H. W., Barker, A. S., Berglund, C. N. Optical Properties of VO2 between 0.25 and 5 eV. Phys. Rev. 172 (3), 788-798 (1968).
- Kiria, P., Hyett, G., Binions, R. Solid State Thermochromic Materials. Adv. Mater. Lett. 1 (2), 86-105 (2010).
- Konovalova, O. P., Sidorov, A. I., Shaganov, I. I. Interference systems of controllable mirrors based on vanadium dioxide for the spectral range 06-106 micrometer. J. Opt. Technol. 66 (5), 391 (1999).
- Premkumar, P. A., et al. Process Study and Characterization of VO2 Thin Films Synthesized by ALD Using TEMAV and O3 Precursors. ECS J. Solid State Sci. Technol. 1 (4), P169-P174 (2012).
- Rampelberg, G., et al. Crystallization and semiconductor-metal switching behavior of thin VO2 layers grown by atomic layer deposition. Thin Solid Films. 550, 59-64 (2014).
- Peter, A. P., et al. Metal-Insulator Transition in ALD VO2 Ultrathin Films and Nanoparticles: Morphological Control. Adv. Funct. Mater. 25 (5), 679-686 (2015).
- Rampelberg, G. Thin film synthesis of VO2 and VN by gas-solid reactions and atomic layer deposition. , (2016).
- Kats, M. A., et al. Vanadium Dioxide as a Natural Disordered Metamaterial: Perfect Thermal Emission and Large Broadband Negative Differential Thermal Emittance. Phys. Rev. X. 3 (4), 041004 (2013).
- Atkin, J. M., et al. Strain and temperature dependence of the insulating phases of VO2 near the metal-insulator transition. Phys. Rev. B. 85 (2), 020101 (2012).
- Petrov, G. I., Yakovlev, V. V., Squier, J. Raman microscopy analysis of phase transformation mechanisms in vanadium dioxide. Appl. Phys. Lett. 81 (6), 1023-1025 (2002).
- Moulder, J. F. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Spectra for Identification and Interpretation of XPS Data. , Physical Electronics Division, Perkin-Elmer Corporation. (1992).
- Nelder, J. A., Mead, R. A Simplex Method for Function Minimization. Comput. J. 7 (4), 308-313 (1965).
- Born, M., Wolf, E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. , Cambridge University Press. (1999).
- Choi, H. S., Ahn, J. S., Jung, J. H., Noh, T. W., Kim, D. H. Mid-infrared properties of a VO2 film near the metal-insulator transition. Phys. Rev. B. 54 (7), 4621-4628 (1996).
- Jepsen, P. U., et al. Metal-insulator phase transition in a VO2 thin film observed with terahertz spectroscopy. Phys. Rev. B. 74 (20), 205103 (2006).
- Rozen, J., Lopez, R., Haglund, R. F., Feldman, L. C. Two-dimensional current percolation in nanocrystalline vanadiumdioxide films. Appl. Phys. Lett. 88 (8), 081902 (2006).
- Tazawa, M., Jin, P., Tanemura, S. Optical constants of V1-xWxO2 films. Appl. Opt. 37 (10), 1858-1861 (1998).
- Joushaghani, A. Micro- and Nano-scale Optoelectronic Devices Using Vanadium Dioxide. , Available from: https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/68313 (2014).
- Briggs, R. M., Pryce, I. M., Atwater, H. A. Compact silicon photonic waveguide modulator based on the vanadium dioxide metal-insulator phase transition. Opt. Express. 18 (11), 11192-11201 (2010).
- Dicken, M. J., et al. Frequency tunable near-infrared metamaterials based on VO2 phase transition. Opt. Express. 17 (20), 18330 (2009).
