マグネトロンスパッタリング法で作製した二酸化バナジウムの特性と用途について
マグネトロンスパッタリング広くVO2薄膜の調製に使用され、ターゲット材料は一般的に非常に純粋なバナジウム金属であり、バックグラウンド真空は一般的に10-3Paより高く、真空チャンバは酸素とアルゴンで満たされている。スパッタリング、Ar +イオンボンバードメントVターゲットスパッタリングV原子と基板表面のO原子が結合し、バナジウム酸化物を形成するために堆積させ、膜の調製は、一般的にV2O3、VO2、V2O5バナジウム酸化物を含むが、酸素分圧、蒸着温度とターゲットベースの間隔を調整することにより、高品質のVO2膜を調製することができます。
二酸化バナジウムの特徴
均一で連続性の高いフィルム
マグネトロンスパッタリング技術は、基板上に材料を均一に堆積させることができ、亀裂や重大な欠陥のない連続膜を製造することができる。 これは、物理的特性の一貫性がVO₂の熱的および電気的応答にとって重要であるため、フィルムの機能性を確保するために特に重要である。
制御された膜厚と組成
パワー、空気圧、スパッタリング時間、ターゲット-基板間距離などのスパッタリングパラメーターを精密に制御することで、膜厚と組成を精密に調整することができる。 これは、VO₂特有の相変化特性（例えば、特定の温度での絶縁体から金属への変化）を達成するために不可欠である。
優れた相変化特性
VO₂膜の主な魅力は、マグネトロンスパッタリングによって効果的に維持・再現できる、そのユニークな温度感受性相変化能力である。 68℃に近い周囲温度で、VO₂膜は絶縁状態から金属状態に急速に変化することができ、この変化は導電性と光学特性の著しい変化を伴う。
光学的および電気的特性の向上
基板温度やスパッタリング雰囲気（酸素含有量など）などのスパッタリング条件を調整することで、膜の構造を最適化し、光透過率や導電率を向上させることができる。 例えば、スマートウィンドウの用途では、このような最適化により、熱と光を調整する能力を向上させることができる。
材料の利用率と生産性の向上
マグネトロンスパッタリングプロセスにおけるターゲット材料の高い材料利用率と、装置が通常高い成膜速度を持つことは、高い生産性と生産コストの削減につながる。
幅広い基材適合性
マグネトロンスパッタリングは、ガラス、プラスチック、金属など多くの種類の基板上で行うことができるため、VO₂膜を曲げられる表面や形状の異なる物体に適用できるなど、応用範囲が広がります。
環境に優しく低公害
マグネトロンスパッタリングは、使用する前駆体の量が少なく、毒性の高い化学物質を使用しないため、化学気相成長法などの他の方法よりも環境に優しい前処理法であると考えられている。
二酸化バナジウムの用途
二酸化バナジウムテラヘルツデバイス
0.03～3mmの波長域をテラヘルツと定義し、マイクロ波と赤外線の波長帯の中間の0.1THz～10THzの周波数の電磁波を含む。ごく初期には、テラヘルツは分野ごとに異なる名称で呼ばれており、光学分野では遠赤外線、電子分野ではサブミリ波、ウルトラマイクロ波などが使われていた。テラヘルツ技術は、「将来世界を変える技術トップ10」のひとつとして認識されている。二酸化バナジウムの相転移は、特定の周波数のテラヘルツ波を吸収することを可能にし、この材料の特性をスイッチング目的に利用する。一方では、フィルムと基板と外部環境のインピーダンスが等しいため、吸収構造は反射を生成しないので、テラヘルツ波は反射されません。テラヘルツ波の共振と金属リング構造の最上層は、吸収の1つまたは複数のピークを生成すると同時に、金属膜は、テラヘルツがデバイスを通過することができないように、最終的に吸収体の吸収率の変化、吸収体を作るためにこのような原理の使用。
ディスクメディア素材
双安定な光学特性を持つ材料は光データ記憶媒体とすることができ、Vo2フィルムはまさにそのような材料に属し、2つの定常状態間の遷移が可逆的であるため、読み取り、書き込み、消去可能な光ディスク媒体材料として使用できる。Vo2フィルムに保存されたデータは長期間維持され、周囲温度の変化や紫外線照射にも耐えることがわかった。
光スイッチング・デバイス
VO2の位相変化の前後で最大5桁の抵抗位相変化とナノ秒の変換時間を持つVO2は、回路の自動制御を実現する熱スイッチまたは熱センサーとして使用することができます。光スイッチは、何らかの励起を加えることによって、急激な変化の透過率の可視および赤外領域でVO2を使用し、最終的に光変調器として知られているオンとオフの透過と反射を実現します。テラヘルツ波は、電磁波の間のマイクロ波と赤外線に位置し、スペクトル領域で開発される最後の電磁スペクトルであり、広帯域通信の方向に、生物学的センシング、研究の半導体材料の特性は、大きな応用価値を持っています。
赤外線検出器用レーザー保護層
VO2の相転移前後の赤外透過率に大きな差があることから、VO2膜を赤外レーザー光に対する保護膜として利用することができる。レーザーパルス照射を受けると、急速に金属相-半導体相転移を起こし、相転移前は高い赤外透過率を示し、相転移後は非常に高い赤外反射率を示す。レーザーが照射されていない状態では、VO2膜は高い赤外線透過率を示し、赤外線デバイスの正常な動作に影響を与えません。レーザーが照射されると、VO2膜は超短時間で金属状態に相転移し、この時点で高い赤外線反射率を持っており、放射線光の透過を遮断し、検出器の保護の目的を達成する。
スマート・ウィンドウ・フィルム・コーティング
二酸化バナジウムが絶縁体-金属相転移を起こすと、その光学特性も急激に変化する。 この二酸化バナジウム薄膜でコーティングされた光学デバイスは、外部から供給される電気的、光学的、熱的条件が二酸化バナジウム材料の相転移を誘発するときに制御され、相転移前の絶縁体状態の高い透過率と相転移後の金属状態の高い反射率は、二酸化バナジウム材料がスマートウィンドウに適用される原理である。この二酸化バナジウムスマートウィンドウは、相転移に対する温度の影響を可逆的に調節することができる。特に、赤外線帯域の光は外部の赤外線の吸収を効果的に防ぎ、室内温度を一定に保つ。逆に、外気温がフィルムの相変化温度より低いと、光の透過率が上昇し、室内の温度を適切に上昇させる。自然の恵みを最大限に活用し、VO2素材を使用して室温を柔軟に調節・維持することは、持続可能な発展という目標に有益である。
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