[发明专利]一种多晶多孔VO2薄膜的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于氧化钒基智能玻璃和智能开关领域，涉及一种多晶多孔VO₂薄膜的制备方法。

【背景技术】

二氧化钒(VO₂)是一种具有热致相变性质的金属氧化物。当温度升高到68℃时，其晶体结构通常由低温单斜相(P21/c)转变为高温四方金红石结构(P42/mnm)，并伴随绝缘体向金属态的相变(MIT)过程，许多物理性质随之而变：电阻率发生3～5个数量级的突跃，磁化率和光学性能也发生突变，尤其是，红外和近红外波段的透射率变化显著，且此过程完全可逆。这就为智能材料和节能材料的探索和制备提供了可能。以智能窗户为例，我们大致可理解VO₂基光电子器件的工作原理。从功能上讲，智能窗户能感知光、热、电等外界刺激并作出响应，以有效控制通过玻璃的光强度及室内光线和温度。当环境温度低于相变温度(T_c)时，VO₂表现为绝缘体相，具有高的红外光透射率，伴随光照射时间的延长，室内温度逐渐升高。当温度升高到T_c时，VO2转变为金属相，对红外光具有强烈的反射作用，红外透射率急速降低，其被动反馈作用即可保持室内温度的恒定水平。再比如，倘若采用VO₂基智能材料控制航空器系统的内部温度，将极大地克服因温度传感器、执行器、控制电路和活动件所带来的重量大和成本高的问题。从这个意义上说，作为一种能有效感知外界环境并及时作出响应的新型智能材料，VO₂基薄膜材料在辐射热测定器、光开关器件、光存储器件和高效能智能玻璃等技术领域具有巨大的潜在应用前景。

二氧化钒的相变过程伴随0.32％的体积变化，并产生400Mpa的相变应力。尽管相变和变温引入的应力在反向过程中可消除，但相变应力和热应力的反复加载无疑将带来膜/基结合状态的弱化及薄膜本身的疲劳损伤，导致膜层的断裂及从基体的剥落，决定着VO₂基热致色变薄膜光电器件的可靠性和安全性。而且应力对相变温度的影响也很大。如何有效释缓相变应力和热应力对于对于提高VO₂薄膜的可靠性至关重要。容易想象，纳米孔洞可为相变过程体积的变化提供自由空间，即可有效释缓应力的产生。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多晶多孔VO2薄膜的制备方法，该方法是通过对磁控溅射制备的高氧含量的氧化钒薄膜进行真空或氩气气氛退火处理，形成纳米空洞，为伴随相变产生的体积膨胀提供自由空间，以此显著提升器件的可靠性和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种多晶多孔VO₂薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选用硅片或玻璃作为衬底，镀膜前进行清洗处理；

2)以Ar气作为溅射气氛，氧气作为反应气体，采用直流电源溅射金属钒靶，得到沉积态非晶氧化钒薄膜；

3)将沉积态非晶氧化钒薄膜放到退火炉中进行退火处理，形成多晶多孔VO₂薄膜。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤1)中，单晶硅片上有SiO₂层，总厚度为400±10um。

所述步骤1)中，玻璃基体的厚度为1mm。

所述步骤1)中，清洗处理为依次采用去离子水、丙酮以及无水乙醇超声清洗15min，并立即用氮气流快速吹干，待用。

所述步骤2)中，钒靶尺寸规格为φ50.8mm×5mm，纯度为99.9％.

所述步骤2)中，氧气和氩气比例为(1～2)：4，直流电源功率为180～220W，溅射时间为20～50min。

所述步骤2)中，薄膜沉积前先将真空腔的真空度用分子泵抽到1.2×10^-4Pa，在0.5Pa的工作气压和300W的溅射功率下采用Ar⁺等离子体对金属钒靶进行预溅射5min，去除表面的污染物或氧化物。

所述步骤3)中，在真空或氩气气氛下进行退火处理，退火温度为450℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h，随炉冷却。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：