[发明专利]一种二氧化钒薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域，涉及一种二氧化钒薄膜制备方法，具体指金属钒或低价钒氧化退火的二氧化钒薄膜制备方法。它用来制备10～300nm厚的二氧化钒薄膜。

技术背景

二氧化钒薄膜在68℃时会发生从半导体到金属的相变，在二氧化钒薄膜相变过程中存在着光学、电学性质的突变及其热滞特性，而且通过掺杂可以改变相变温度，因此二氧化钒作为功能材料具有很高研究价值和广泛应用价值。

二氧化钒薄膜在低温时具有较高的红外透过率，而在高温具有很低的红外透过率，因此利用这一特性，在玻璃等透明基底上沉积具有相变特性的二氧化钒薄膜，通过二氧化钒薄膜在不同温度下对红外光透过率的改变，自动调节红外光的入射量，即可实现自动控制建筑物、汽车、航天器等内部温度的目的。如果二氧化钒薄膜的相变温度能降低至接近于室温，那么就可以应用于建筑物窗户玻璃涂层，也就是做成智能温控材料，使得房内温度有冬暖夏凉的效果。

二氧化钒薄膜的电学特性在相变温度附近有几个量级的大幅变化，是非常好的红外敏感材料，非常适合作非致冷红外探测器。除此之外二氧化钒还可以用光盘存储材料、激光防护材料、光开关、电致变色材料、光致变色材料、红外光调制材料等。

氧化钒有多种价态氧化物，但只有二氧化钒具有在室温附近的相变特性，因此要利用室温附近的相变光学、电学特性，就必须制备出以二氧化钒为主要成分的薄膜。二氧化钒薄膜可以通过反应磁控溅射、溶胶凝胶、离子束溅射、真空热蒸发、脉冲激光沉积和化学气象沉积等方法制备。溶胶凝胶制备二氧化钒薄膜的方法具有成本低，对系统要求低等优点，但其成膜均匀性和厚度都不好控制。离子束溅射、真空热蒸发和脉冲激光沉积等方法制备的二氧化钒薄膜成膜质量都很好，但是它们都无法应用于大面积镀膜。目前大规模产业化镀膜技术主要采用磁控溅射的方法，然而直接溅射氧化钒极其困难、难控制、难重复，并且直接磁控溅射制备二氧化钒的方法需要在镀膜时对衬底加热到400℃左右，这在现今大规模镀膜线上还没有实现。

本发明公开了一种简便易行方法制备二氧化钒薄膜，重点在薄膜后退火气氛控制上，可以实现二氧化钒薄膜的大规模制备，推进二氧化钒薄膜功能材料在各方面应用。虽然文献(Xu X F,et al.A novel sputtering oxidation coupling(SOC)method to fabricate VO₂thin film[J].Applied Surface Science,2010,256:2750–2753.)中报道在单晶蓝宝石衬底上金属钒氧化生成二氧化钒薄膜的制备工艺，但是这种工艺是直接在大气中退火，并没有控制退火气氛，容易过氧化形成五氧化二钒或氧化不足形成低价钒氧化物，其重复性差、难度大。本发明公开的二氧化钒薄膜制备工艺是通过金属钒氧化结合控制退火气氛来实现的，可以在非晶玻璃上生长出大面积性能优异的二氧化钒薄膜，适合于产业化生产。

发明内容

本发明提出了一种通过金属钒或者低价钒氧化退火的方法制备二氧化钒薄膜，具体是指通过金属钒薄膜或者低价钒氧化物薄膜在高温下氧化生成有相变的二氧化钒薄膜。通过此种方法，可以实现有相变二氧化钒薄膜的大规模制备，所制备二氧化钒薄膜性能优异，简单易行，重复性好，工艺与产业化生产线接轨，适合于大规模生产。

本发明主要包括如下步骤：

1)在玻璃、石英、宝石或硅片衬底上通过磁控溅射、离子束溅射、化学气相沉积、真空热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉积或溶胶凝胶的方法将金属钒或低价钒薄膜制备在衬底上；

2)对制备好的金属钒薄膜或者低价钒薄膜在真空条件下通氧退火得到有相变的二氧化钒薄膜；具体通氧退火参数为：氧气是氧分压在2～11000Pa，退火温度是300～650℃，时间为5～400min。

所述的低价钒为一氧化钒、三氧化二钒、低于和等于四价的钒氧化物相的混合物，或上述的掺杂有4％以下W、Mo、AI、Ti、Nb、Ta或F元素的混合物。

本发明的优点在于：该工艺方法与大规模镀膜玻璃生产线工艺兼容，镀膜时衬底不需要加热，可以在非晶玻璃上生长性能良好的二氧化钒薄膜。

附图说明

附图1为实施例1中玻璃衬底上所制备二氧化钒薄膜的SEM照片。

附图2为实施例1中玻璃衬底上所制备二氧化钒薄膜的X射线衍射图谱。

附图3为实施例1中玻璃衬底上二氧化钒薄膜室温和高温透射光谱。

附图4为实施例2中玻璃衬底上所制备二氧化钒薄膜的SEM照片。