磁控溅射制备的二氧化钒有哪些特点及应用

2024-04-28

磁控溅射法广泛应用在VO2薄膜的制备中，靶材一般采用纯度很高的金属钒，本底真空度一般高于10-3Pa，在真空室内充入氧和氩气。溅射时，Ar+离子轰击V靶材溅射出V原子与O原子在基片表面结合并沉积下来，形成钒氧化物，制备的薄膜中一般都含有 V2O3、VO2、V2O5的钒氧化物，但通过调节氧分压、沉积温度和靶基间距，可制备高质量的 VO2薄膜。

二氧化钒的特点

高度均匀和连续的薄膜

磁控溅射技术能够在基底上均匀地沉积材料，生成连续的薄膜，没有裂纹或显著缺陷。这对于确保薄膜的功能性特别重要，因为物理性质的一致性对于VO₂的热敏和电敏响应至关重要。

可控的薄膜厚度和成分

通过精确控制溅射参数如功率、气压、溅射时间和靶材至基底的距离，可以精确调节薄膜的厚度和成分。这对于实现VO₂特定的相变特性（例如在特定温度下从绝缘体转变为金属）至关重要。

优异的相变特性

VO₂薄膜的主要吸引力在于其独特的温敏相变能力，磁控溅射可以有效地保持和复现这一特性。在环境温度接近68°C时，VO₂薄膜可以迅速从绝缘状态转变为金属状态，这一变化伴随着电导率和光学性质的显著变化。

改善的光学和电学性能

通过调节溅射条件，如基底温度和溅射气氛（如氧气的含量），可以优化薄膜的结构，从而改善其光学透过率和电学导电性。例如，在智能窗户应用中，这种优化可以提高其对热和光的调节能力。

较高的材料利用率和生产效率

磁控溅射过程中靶材的物料利用率较高，且设备通常具有较高的沉积速率，这使得生产效率较高，降低了生产成本。

广泛的基底适应性

磁控溅射可以在多种类型的基底上进行，包括玻璃、塑料、金属等，这扩展了VO₂薄膜的应用范围，如可以应用于可弯曲的表面或不同形状的物体上。

环境友好和低污染

相比于化学气相沉积等其他方法，磁控溅射通常被认为是更环保的制备方法，因为它使用的前驱体较少，且不涉及高毒性化学物质的使用。

二氧化钒的应用

二氧化钒太赫兹器件

包含频率为0.1THz 至10THz范围内的电磁波，介于微波与红外波段之间，0.03~3mm的波长范围被定义为太赫兹。很早的时候太赫兹在不同的领域有不同的名字，远红外被用于光学领域，而亚毫米波、超微波等则被用于电子领域。太赫兹技术被评为“改变未来世界的十大技术”之一。二氧化钒相变的过程中可以实现对太赫兹波特定频率的吸收，利用材料这种特性达到开关目的。一方面，由于薄膜和基底的阻抗与外部环境阻抗相等，吸收结构中不会产生反射，所以太赫兹波也不会发生反射；并且太赫兹波发生谐振与顶层金属环结构产生一个或多个吸收峰，同时金属材质的薄膜让太赫兹不能通过该器件，最后吸收器的吸收率会产生变化，利用这样的原理来制作吸收器。

光盘介质材料

具有双稳态光学性质的材料都可以制成光学数据存储介质，Vo2薄膜正好属于这样一种材料，而且它的两个稳态之间的转换是可逆的，所以它可以作为可读、可写和可擦除的光盘介质材料。研究发现，Vo2薄膜存储的数据可以长期保持，能够经受环境温度变化和紫外照射。

光电开关器件

利用VO2相变前后高达5个数量级的阻值相变幅度和纳秒级别的转换时间，可将其用作热敏开关或热敏传感器，实现电路的自动控制。光开关利用VO2在可见和红外区域的透过率的突然变化，通过加以某种激励方式，最终实现透过与反射的通断，这就是人们所熟知的光调制器。太赫兹波是位于微波和红外之间电磁波，是电磁波谱最后一个待开发的频谱区域，在宽带通信、生物传感、半导体材料性质研究等方向具有巨大应用价值。

红外探测器激光防护层

根据VO2相变前后在红外透过率的巨大差异，我们可以将VO2薄膜用作抗红外激光辐射的保护层。在受到激光脉冲辐射时能迅速地发生金属相-半导体相的相变，相变前具有较高的红外透过率，相变后具有非常高的红外反射率。在没有受到激光辐射时，VO2薄膜表现为高的红外透过率，对红外器件的正常工作不产生影响；当受到激光辐射时，VO2薄膜在超短的时间里相变为金属态，此时具有高的红外反射率，阻隔辐射光的透过，达到防护探测器的目的。

智能窗薄膜涂层

二氧化钒发生绝缘体-金属相变时，它的光学性质也会发生突变，这种涂有VO2薄膜的光学器件，当外部提供的电、光、热等条件诱导VO2材料相变来控制，相变前绝缘态的高透过率和相变后的金属态的高反射率，这就是二氧化钒材料应用在智能窗上的原理。这种二氧化钒的智能窗可以实现可逆的调控，随着温度对相变的影响。特别是来自红外波段的光，能有效的阻止外界红外光的吸收，从而保持室内温度的恒定。相反，当外界温度低于薄膜相变温度时，光的透过率会增加，适当的增加了室内的温度。充分利用大自然的赠与，采用VO2材料灵活的调控，并维持室温的目的，有利于可持续发展的目标。

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