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RF-溅射法制备氧化钒薄膜及其电致开关特性的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学与电子器件领域，具有特殊物理性质的材料一直是研究的热点。氧化钒薄膜作为一种具有独特性能的材料，因其在光电子学、传感器技术、智能窗等众多领域展现出巨大的应用潜力，受到了广泛关注。氧化钒薄膜是由钒元素与氧元素结合形成的具有多种价态的化合物薄膜，其中VO?薄膜的金属-绝缘体相变特性尤为引人注目。在特定温度（约68°C）下，VO?会发生从半导体到金属的相变，伴随相变过程，其晶相结构、电学性质和光学性质都发生急剧变化，如电阻可变化几个数量级，红外光谱也从较强较锐的峰变为较弱较宽的峰。这种独特的电致开关特性使得氧化钒薄膜在诸多领域具有重要应用价值。

在光电子器件方面，基于氧化钒薄膜的电致开关特性，可制作光开关、光调制器等器件。光开关能够实现光信号的快速切换，在光通信网络中起着关键作用，可提高信号传输的效率和灵活性；光调制器则可对光信号的强度、相位等进行调制，有助于实现高速、大容量的光通信。在传感器技术领域，氧化钒薄膜可用于制备温度传感器、气体传感器等。由于其电阻对温度变化敏感，在温度传感器中能够精确感知温度的微小变化；利用其与某些气体发生化学反应时电学性质改变的特性，可实现对特定气体的高灵敏度检测，在环境监测、生物医学检测等方面具有重要应用。在智能窗领域，氧化钒薄膜可根据环境温度的变化自动调节其光学透过率。当温度较低时，薄膜处于半导体态，对红外光具有较高的透过率，能够让更多的热量进入室内，起到保暖作用；当温度升高到相变温度以上，薄膜转变为金属态，对红外光的透过率降低，阻挡热量进入室内，实现智能控温，达到节能的效果。

制备高质量的氧化钒薄膜并深入研究其电致开关特性对于推动上述应用的发展至关重要。射频溅射（RF-溅射）作为一种常用的薄膜制备方法，具有诸多优点。RF-溅射能够在较低的温度下进行薄膜沉积，这对于一些对温度敏感的基底材料尤为重要，可避免高温对基底性能的影响；该方法能够精确控制薄膜的成分和厚度，通过调节溅射过程中的各种参数，如氩氧流量比、溅射功率、溅射时间等，可以制备出具有不同化学组成和厚度的氧化钒薄膜，以满足不同应用场景的需求；RF-溅射还具有良好的成膜均匀性和附着力，能够制备出质量高、性能稳定的薄膜。研究RF-溅射制备氧化钒薄膜的工艺以及该薄膜的电致开关特性，不仅可以丰富材料科学的基础理论，还能为新型电子器件的设计和开发提供技术支持，对促进相关领域的技术进步和产业发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国内外众多科研团队对RF-溅射制备氧化钒薄膜工艺及电致开关特性展开了深入研究，并取得了一系列成果。在薄膜制备工艺方面，研究者们重点关注工艺参数对薄膜结构和性能的影响。西安工业大学的马卫红、蔡长龙以高纯金属钒作靶材，采用射频磁控溅射的方法在室温下制备VO?薄膜，研究发现氩氧流量比以及功率等工艺参数对薄膜电阻温度系数（TCR）影响显著，通过优化工艺参数，获得的VO?薄膜TCR值大于1.8%。武汉大学的高振雨等人采用反应直流磁控溅射法，通过调控溅射过程中的氩氧比，在石英玻璃衬底上制备氧化钒薄膜，研究表明溅射气氛及后处理条件对薄膜微结构与电学性能影响密切，如经450和500℃退火，薄膜中易形成VO?，而550℃退火时薄膜中会形成大量非4价的钒氧化物；当氩氧比中氧含量增加时，沉积的VO?薄膜中会生成少量非4价的钒氧化物。

在电致开关特性研究方面，天津理工大学的张楷亮等人采用反应溅射法在Cu/Ti/SiO?/Si衬底上制备氧化钒薄膜，通过半导体参数分析仪对薄膜的电开关特性进行测试，发现薄膜具有较低的开关电压（Vset=0.72V，Vreset=0.39V），开关电阻的转变倍率约3个数量级，利用导电原子力显微镜（CAFM）探索其导电机制，认为VO?薄膜导电态主要是Cu离子在薄膜中扩散形成的导电细丝所致。

尽管目前已取得不少成果，但仍存在一些不足和待探索方向。在薄膜制备工艺方面，工艺参数的优化仍有较大空间，不同研究中最佳工艺参数存在差异，缺乏统一的理论模型来精准指导工艺优化；对制备过程中薄膜的生长机制研究还不够深入，难以从原子层面理解薄膜的形成过程，这限制了进一步提高薄膜质量和性能的能力。在电致开关特性研究方面，对其微观机制的认识还不够全面和深入，虽然提出了一些如导电细丝等理论，但对于一些复杂的现象和行为，如开关过程中的迟滞效应、长期稳定性等，还缺乏完善的理论解释；此外，如何将氧化钒薄膜的电致开关特性与实际应用更好地结合，开发出高性能、高可靠性的器件，也是亟待解决的问题。

1.3研究内容与创新点

本文围绕RF-溅射制备氧化钒薄膜及其电