掺钌对氧化钒薄膜结构与性能的影响

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目掺钌对氧化钒薄膜结构与性能的影响学科专业光学工程学号201521050405作者姓名徐世洋指导教师顾德恩副教授分类号密级注1UDC学位论文掺钌对氧化钒薄膜结构与性能的影响（题名和副题名）徐世洋（作者姓名）指导教师顾德恩副教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业光学工程提交论文日期2018.4论文答辩日期2018.5.21学位授予单位和日期电子科技大学2018年

2、6月答辩委员会主席于军胜评阅人于军胜王军注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。EffectsofRu-dopingonStructuresandPropertiesofVanadiumOxideThinFilmsAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:OpticalEngineeringAuthor:ShiyangXuSupervisor:Prof.DeenGuSchool:SchoolofOptoelect

3、ronicScienceofEngineering摘要摘要由于二氧化钒有着接近室温68℃左右的半导体-金属相变特性，使其在智能窗、光电开关与存储、非制冷红外探测器等领域有着广泛的研究。因受限于相变温度和相变滞回等特征，VO2在实际器件中的应用存在一定的局限性。掺杂，作为一种有效的改善VO2结构与性能的方式已经被众多科研工作者报道。本文利用磁控溅射法，以Ru元素掺杂为核心，制备了不同掺Ru比例、不同衬底温度、Ti-Ru共掺的VO2薄膜，借助X射线衍射（XRD）、拉曼分析（Raman）、X射线光电子能谱分析XPS（EDS）、扫描电镜（SEM）

4、、原子力显微镜（AFM）等表针分析手段，探究薄膜的成分、表面形貌、晶体结构等特征；利用四探针、台阶仪测试薄膜电阻率-温度相变特性，探究掺Ru、Ti-Ru共掺对VO2相变特性的调控作用和机理。主要结论如下：（1）研究了掺Ru对二氧化钒微结构与性能的影响。掺Ru的VO2薄膜仍保持了单斜M相结构，晶粒尺寸减小；Ru元素以+4价的形式存在于薄膜中，掺Ru能够缓解VO2在空气中的自发氧化；掺Ru抑制了薄膜颗粒的生长，降低表面粗糙度。掺Ru可以有效降低薄膜的相变温度（TSMT），每掺杂1at%Ru降低相变温o4+度10.5C，Ru离子降低TSMT的效

5、果要优于其他四价掺杂剂。常温下掺Ru显著的提高了薄膜电阻温度系数（TCR）和降低了电阻率，掺Ru浓度为2.32at%的VOR-4薄膜TCR高达4.82%/℃而电阻率仅为0.63Ω·cm，这为制备低TSMT、低电阻率、高TCR的VO2薄膜提供了一种新的方法。（2）在掺Ru二氧化钒相变特性研究基础上，进一步研究不同衬底温度对掺Ru二氧化钒微结构与性能的影响。衬底温度升高会削弱掺Ru氧化钒薄膜相变性能和降低电阻温度系数（TCR），当温度高于150℃，掺Ru氧化钒薄膜有着金属态VO2的电阻率，相变特性被完全抑制，TCR明显减小；衬底温度升高显著降

6、低薄膜晶粒尺寸但不影响薄膜单斜M相结构。（3）研究了Ti-Ru共掺对二氧化钒微结构与性能的影响。Ti-Ru共掺降低薄膜晶粒尺寸不改变单斜态特征，Ti和Ru在薄膜样品中都是以+4价的形式存在的；Ti-Ru共掺抑制了薄膜表面颗粒生长，使薄膜表面致密度更好。掺Ti完全抑制了薄膜的相变性能，掺Ru降低薄膜常温下的电阻率，Ti-Ru共掺使薄膜获得较高TCR且在测温范围内保持稳定。这为制备低电阻率、无相变、高TCR可用于非制冷红外探测器的VO2薄膜提供了一种新的方法。关键词：二氧化钒薄膜，掺杂，微结构，相变特性，基片温度IABSTRACTABSTRA

7、CTBecausevanadiumdioxidehasthesemiconductor-to-metalphasetransitionwiththetransitiontemperatureat68°C,ithasbeenextensivelystudiedinsmartwindows,photoelectricswitches,storagesanduncooledinfrareddetectors.Duetothecharacteristicsofphasetransitiontemperatureandphasetransition

8、hysteresis,theapplicationofVO2inpracticaldeviceshassomelimitations.Asaneffectivewaytochangethest