一種實現(xiàn)m相二氧化釩納米線擇優(yōu)取向排列生長的制備方法
【專利說明】一種實現(xiàn)M相二氧化釩納米線擇優(yōu)取向排列生長的制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及M相二氧化釩納米線陣列的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003]在眾多金屬-絕緣體相變材料中，M相二氧化釩的相變溫度最接近室溫(?68°C)。并且在相變前后，'^02(1)的結(jié)構(gòu)由單斜(!110110(31；[11；[(3)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石(1'111:；[16)，電阻會有3-5個數(shù)量級的可逆突變，同時伴隨有相變滯后現(xiàn)象?；谶@一優(yōu)異的可逆相變特性，VO2可以被開發(fā)并產(chǎn)生很多非常有前景的應(yīng)用。因此VO2(M)也成為近幾年研究最熱的金屬氧化物材料之一。另外，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)由于小尺寸表面效應(yīng)的影響，納米材料表現(xiàn)出許多體材料所不具有的特殊的物理、化學(xué)和生物特性。其中，一維納米材料，如納米線、納米棒、納米帶等，由于其獨特的單一晶體結(jié)構(gòu)，常常表現(xiàn)出非常獨特的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。利用一維納米材料獨有的這些特性，可以設(shè)計和制造各種性能優(yōu)異和功能奇特的新型微電子器件。同時，更重要的是納米線的研究和應(yīng)用也非常符合電子器件微型化和智能化的發(fā)展趨勢。
[0004]2005年，Guiton等人用化學(xué)氣相沉積技術(shù)第一次生長出了形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)異的VO2(M)納米線。之后，基于Gui ton的方法，Cheng等人發(fā)現(xiàn)可以在未拋光的無定形的石英表面生長出大量交錯排布的納米線，并且納米線朝著空間各個方向生長，形成不受基底限制的自由狀態(tài)(free standing)。在我們之前的研究中，利用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)快速生長出了大量M相二氧化釩納米線。
[0005]以上方法生長的二氧化釩納米線都是無規(guī)則分布在基底上邊，很顯然這不利于二氧化釩納米線的大規(guī)模集成和應(yīng)用。如果想要大規(guī)模利用納米線來組裝和集成微電子器件，就需要納米線有規(guī)律的排布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實現(xiàn)M相二氧化釩納米線擇優(yōu)取向排列生長的制備方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種M相二氧化釩納米線陣列的制備方法，包括如下步驟:
(1)選擇激光器和靶材:激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用VO2(M)靶材；
(2)清洗襯底:襯底選擇石英晶體或藍寶石晶體，先用丙酮超聲清洗5-10min，然后用去離子水超聲清洗5-10min，再用乙醇超聲清洗5-10min，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用他吹干并置于樣品臺上；
(3)濺射:濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至750°C，升溫速率20 °C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在8Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm;調(diào)節(jié)激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min;濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動;濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。
[0008]作為優(yōu)選，在上述制備方法，所述靶材為純度99.9%的VO2 (M)靶材。
[0009]作為優(yōu)選，在上述制備方法，所述石英晶體或藍寶石晶體的取向為〈I1-20〉。本發(fā)明采用取向〈11-20〉的石英和藍寶石晶體作為生長襯底，其晶格常數(shù)與M相二氧化釩的匹配度比較高。
[0010]作為優(yōu)選，在上述制備方法，步驟(2)所述襯底需距離羽輝中心3cm。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明通過優(yōu)化脈沖激光沉積技術(shù)方法實現(xiàn)了二氧化釩納米線的擇優(yōu)取向排列生長。通過選擇激光器和靶材，選擇襯底，濺射通過簡單的溫度、氧壓和沉積時間得到長度不同的VO2 (M)納米線陣列。該方法工藝十分簡單，對設(shè)備要求低，重現(xiàn)性好，可控程度高，無毒害，符合環(huán)境要求。本發(fā)明采用脈沖激光沉積技術(shù)，操作簡單，不會產(chǎn)生有毒氣氛，也不會對實驗人員造成傷害。本發(fā)明可以得到擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線，為VO2(M)納米線組裝和集成奠定了基礎(chǔ)。一維納米線擇優(yōu)取向陣列是實現(xiàn)納米線器件組裝、集成和應(yīng)用的基礎(chǔ)，M相的二氧化釩納米線在68°C附近有一個非常明顯的結(jié)構(gòu)相變，伴隨著相變，其電阻率在相變前后有3-5個數(shù)量級的突變。利用這個性質(zhì)，可以制作基于M相二氧化釩納米線的傳感器、存儲器、光電開關(guān)和紅外輻射探測器等。
【附圖說明】
[0012]圖1為不同襯底條件下VO2(M)納米線的XRD測試結(jié)果圖；
圖2為生長在石英襯底上邊擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線圖；
圖3為生長在藍寶石襯底上邊擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線圖；
圖4為低溫低壓下生長在(a)石英晶體和(b)藍寶石晶體襯底的SEM形貌圖。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
脈沖激光沉積方法生長擇優(yōu)取向排列的M相二氧化釩納米線時要選擇合適的激光器和靶材，激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用純度為99.9%的VO2(M)靶材。納米線生長之前首先對襯底進行清洗，襯底選擇取向為〈11-20〉的石英晶體，清洗過程如下:先用丙酮超聲清洗5-10111；[11，然后用去離子水超聲清洗5-10111；[11，再用乙醇超聲清洗5-10111；[11，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用N2吹干并置于樣品臺上，需要注意的是襯底需距離羽輝中心3cm。濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至750°C，升溫速率20°C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在8Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm。調(diào)節(jié)激光部分的參數(shù)，激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min。濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動。濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。圖2是生長在石英襯底上邊擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線的掃描電鏡圖片，可以看出納米線呈現(xiàn)良好的取向并工整排列。
[0014]實施例2
脈沖激光沉積方法生長擇優(yōu)取向排列的M相二氧化釩納米線時要選擇合適的激光器和靶材，激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用純度為99.9%的VO2(M)靶材。納米線生長之前首先對襯底進行清洗，襯底選擇取向為〈11-20〉的藍寶石晶體，清洗過程如下:先用丙酮超聲清洗5-10min，然后用去離子水超聲清洗5-10min，再用乙醇超聲清洗5-10min，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用N2吹干并置于樣品臺上，需要注意的是襯底需距離羽輝中心3cm。濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至750°C，升溫速率20 °C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在6Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm。調(diào)節(jié)激光部分的參數(shù)，激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min。濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動。濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。圖3是生長在藍寶石襯底上邊擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線，可以看出納米線呈現(xiàn)良好的排布陣列。
[0015]實施例3
脈沖激光沉積方法生長擇優(yōu)取向排列的M相二氧化釩納米線時要選擇合適的激光器和靶材，激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用純度為99.9%的VO2(M)靶材。納米線生長之前首先對襯底進行清洗，襯底選擇取向為〈11-20〉的石英晶體，清洗過程如下:先用丙酮超聲清洗5-10111；[11，然后用去離子水超聲清洗5-10111；[11，再用乙醇超聲清洗5-10111；[11，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用N2吹干并置于樣品臺上，需要注意的是襯底需距離羽輝中心3cm。濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至650°C，升溫速率20°C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在5Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm。調(diào)節(jié)激光部分的參數(shù)，激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min。濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動。濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。圖4(a)是低溫低壓下生長在石英晶體襯底的SEM形貌圖片，在低溫低壓下納米線很難生長出具有規(guī)則排列的陣列。
[0016]實施例4
脈沖激光沉積方法生長擇優(yōu)取向排列的M相二氧化釩納米線時要選擇合適的激光器和靶材，激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用純度為99.9%的VO2(M)靶材。納米線生長之前首先對襯底進行清洗，襯底選擇取向為〈11-20〉的藍寶石晶體，清洗過程如下:先用丙酮超聲清洗5-10min，然后用去離子水超聲清洗5-10min，再用乙醇超聲清洗5-10min，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用N2吹干并置于樣品臺上，需要注意的是襯底需距離羽輝中心3cm。濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至650°C，升溫速率20 °C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在5Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm。調(diào)節(jié)激光部分的參數(shù)，激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min。濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動。濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。圖4(b)是低溫低壓下生長在藍寶石晶體襯底的SEM形貌圖片，在低溫低壓下納米線很難生長出具有規(guī)則排列的陣列。
【主權(quán)項】
1.一種M相二氧化釩納米線陣列的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)選擇激光器和靶材:激光器選用248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器，靶材選用VO2(M)靶材； (2)清洗襯底:襯底選擇石英晶體或藍寶石晶體，先用丙酮超聲清洗5-10min，然后用去離子水超聲清洗5-10min，再用乙醇超聲清洗5-10min，最后用去離子水超聲清洗5-10min，之后用他吹干并置于樣品臺上； (3)濺射:濺射時將腔體內(nèi)的本底真空抽至1.0 X 10—4Pa以上，樣品臺升溫至750 V，升溫速率20°C/min，然后通過氣體流量計控制送入腔體內(nèi)O2的含量，使腔體內(nèi)的氧壓控制在8Pa，襯底與靶材的間距控制在5cm;調(diào)節(jié)激光能量為300mj，激光頻率IHz，沉積50min;濺射過程中靶材勻速轉(zhuǎn)動，樣品臺保持不動;濺射完畢后保溫退火30min，最后自然降至室溫。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述靶材為純度99.9%的VO2(M)靶材。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述石英晶體或藍寶石晶體的取向為〈11-20〉。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述襯底需距離羽輝中心3cm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)M相二氧化釩納米線擇優(yōu)取向排列生長的制備方法。本發(fā)明通過優(yōu)化脈沖激光沉積技術(shù)方法實現(xiàn)了二氧化釩納米線的擇優(yōu)取向排列生長。通過選擇激光器和靶材，選擇襯底，濺射通過簡單的溫度、氧壓和沉積時間得到長度不同的VO2(M)納米線陣列。該方法工藝十分簡單，對設(shè)備要求低，重現(xiàn)性好，可控程度高，無毒害，符合環(huán)境要求。本發(fā)明采用脈沖激光沉積技術(shù)，操作簡單，不會產(chǎn)生有毒氣氛，也不會對實驗人員造成傷害。本發(fā)明可以得到擇優(yōu)取向排列的VO2(M)納米線，為VO2(M)納米線組裝和集成奠定了基礎(chǔ)。
【IPC分類】C23C14/34, C23C14/08, B82Y40/00
【公開號】CN105568233
【申請?zhí)枴緾N201511034533
【發(fā)明人】鄭躍, 王成遷, 張堅發(fā), 熊偉明, 邢未未, 張惠艷
【申請人】中山大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月31日