[发明专利]一种二氧化钒薄膜及其低温沉积方法

说明书

本发明涉及一种二氧化钒薄膜及其低温沉积方法，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VO_x，其中1.0≤x≤1.75。本发明使用的缓冲层（二氧化钒缺氧层（例如三氧化二钒层）），具有籽晶层与缓冲层的双重功能。以钒的三价氧化物三氧化二钒为例，三氧化二钒具有很宽的结晶温度区间，从室温到850℃均可自发结晶，这一性质为在三氧化二钒层上实现二氧化钒薄膜层的低温沉积奠定了基础。

技术领域

本发明属于新型无机功能材料领域，具体涉及一种高结晶质量的二氧化钒薄膜以及利用磁控溅射在较低沉积温度下获得高结晶质量的二氧化钒薄膜的方法。

背景技术

二氧化钒具有奇特的金属-绝缘体转变特性，在常温为半导体态，其光学性能表现为对太阳光中的红外部分呈现高透过；随着温度的升高，材料发生相变转变为金属态，进而光学性能表现为对太阳光红外部分呈现高反射。二氧化钒材料的这种在高低温下对红外光的调节作用，且可见光透过率能得以维持的性能有望实现在智能窗上的应用；其电导状态随温度的变化的性能有望实现在温度传感器、光电开关等方面的应用。由于二氧化钒材料的应用前景广阔，因此近年来该材料一直是材料研发的热点。

关于二氧化钒薄膜制备及应用的研究自上世纪70年代以来便如雨后春笋般大量出现，在众多的合成方法中，物理溅射法由于具有大规模产业化的前景而备受关注。然而，溅射法的扩大生产仍存在诸多问题需要解决，其中最主要的问题之一就是二氧化钒薄膜较高的衬底温度(一般高于400℃)，不仅导致的较高的电耗，增加生产成本，而且对制备系统提出了较高的要求，增加大型设备的制造难度。已有的低温沉积工艺的研究都不可避免的需要后续退火处理，增加了工艺步骤，降低了薄膜的成品率。因此探究降低溅射过程中的衬底温度且无需退火的工艺势在必行。

关于降低溅射温度的文献报道中，中国专利《一种二氧化钒薄膜的制备方法》(申请公布号CN 103014701 A)公开了一种利用原子层沉积的方法在较低温度下获得二氧化钒薄膜的工艺，制备过程衬底温度为300～350℃，然而原子层沉积的方法相对磁控溅射法沉积速率缓慢，生产效率极低。中国专利《一种二氧化钒薄膜低温沉积方法》(申请公布号CN105132877 A)公开了一种利用引入基底负偏压的方法实现降低溅射过程中衬底温度的工艺，该发明衬底温度为240～260℃，但是基底偏压仅仅适用于特定小型手动设备中，大规模自动化生产中该参数为设备自动调节，无法人为引入，因此该方法适用面受限。H.Wang等在2006年的Infrared Physics&Technology期刊上报道了低温200℃磁控溅射制备VO₂薄膜的方法，然而该方法需要后续退火步骤，退火温度450℃以上，使得制备流程复杂化，且退火过程容易引入杂相，影响薄膜性能。

发明内容

针对上述问题，本发明利用薄膜外延生长的原理，通过在衬底与二氧化钒薄膜层之间插入一层缓冲层，其目的在于同一种高结晶质量的二氧化钒薄膜。

一方面，本发明提供了一种二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜由通过磁控溅射技术依次形成在衬底上的缓冲层以及二氧化钒薄膜层构成，所述缓冲层为二氧化钒缺氧层，其中所述二氧化钒缺氧层的结构式为VO_x，其中1.0≤x≤1.75。

本发明使用的缓冲层(二氧化钒缺氧层(例如三氧化二钒层))，具有籽晶层与缓冲层的双重功能。以钒的三价氧化物三氧化二钒为例，三氧化二钒具有很宽的结晶温度区间，从室温到850℃均可自发结晶，这一性质为在三氧化二钒层上实现二氧化钒薄膜层的低温沉积奠定了基础。二氧化钒缺氧层具有三氧化二钒相向二氧化钒相过渡的性质，因此也可以在二氧化钒缺氧层上实现二氧化钒薄膜层低温自发结晶。同时由二氧化钒缺氧层、二氧化钒层元素组成相同，晶格常数十分接近，因此二氧化钒缺氧层都是良好的制备二氧化钒层的缓冲层。

较佳地，所述衬底可为透明衬底或不透明衬底，优选为玻璃、蓝宝石、单晶硅、单晶锗、二氧化钛、氮化硅、氮化钛和金属单质中的一种。