一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法，包括以下步驟：在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。本發(fā)明所制備的單斜相二氧化釩外延薄膜，具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。
【專利說明】一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能性薄膜制備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功能性膜材料是近年來發(fā)展較快的一種新穎材料，按其功能可以分為水處理膜、太陽能電池膜、平板顯示薄膜、光學薄膜等。近些年來，由于光譜干涉、激光以及空間光學等技術(shù)的飛躍發(fā)展，光學薄膜受到了研究人員越來越多的關(guān)注。并且光學薄膜正在向集光、點、熱等多功能于一身的方向發(fā)展，形成一膜多用的態(tài)勢。單斜相二氧化釩薄膜正是這一類具有光電轉(zhuǎn)換特性的薄膜材料。
[0003]二氧化釩是一種典型的半導體-金屬相變(SMT)材料。在約68°C的臨界溫度時，二氧化釩發(fā)生由低溫半導體相(單斜M相)到高溫金屬相(金紅石R相)的可逆相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時伴隨著電導率、紅外光透過率、磁化率等宏觀性能的劇烈變化。由于二氧化釩的這種獨特的相變性質(zhì)，使其在熱敏電阻材料、光電開關(guān)材料、智能窗材料、智能控溫材料、紅外探測材料、抗激光材料、光存儲材料、光色材料等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。與此同時其能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)也會發(fā)生變化。這種金屬絕緣體相變過程存在著很強的電子相互作用，具有Mott-Hubbard和Peierls相變的特征,為研究復雜材料中的多體相互作用，電子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象和電子能帶結(jié)構(gòu)提供了的極好的研究平臺。因此，單斜相二氧化釩薄膜在上述領(lǐng)域中有著重要的應用需求。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，制備單斜相二氧化釩薄膜常見方法有磁控濺射、激光脈沖沉積(PLD)、化學氣相沉積(CVD)。采用不同的方法制備的單斜相二氧化釩薄膜在微觀結(jié)構(gòu)、光學、電學等方面都有很大的差別。
[0005]濺射法制備單斜相二氧化釩薄膜一般以高純度的釩靶或者氧化釩靶材來進行濺射，然后將得到的薄膜樣品進行后期處理，比如在惰性氣體中熱處理等方法，來得到晶化的單斜相二氧化釩薄膜。通常其薄膜質(zhì)量受襯底溫度、氣體分壓、熱處理工藝等影響，穩(wěn)定性和重復性較差。
[0006]激光脈沖沉積是將脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖光束聚焦于靶材表面，使其產(chǎn)生高溫和燒蝕，而產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體定向局域膨脹發(fā)射，并在襯底上沉積而形成薄膜。這種方法能夠制備出結(jié)晶性很好的單斜相二氧化釩晶體薄膜，但其成膜的表面往往容易存在顆粒問題，且大面積均勻性欠佳。
[0007]化學氣相沉積法是利用氣 態(tài)前驅(qū)物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生化學反應，從而在固態(tài)襯底上生成固態(tài)沉積物的過程來制備單斜相二氧化釩薄膜，這種方法制備效率高，但其過程受溫度、氣體流量、氣體流速、氣體分布均勻性、反應器結(jié)構(gòu)等因素影響比較大，穩(wěn)定性和均勻性還有待解決。
[0008]因此，開發(fā)一種成膜質(zhì)量高，性能優(yōu)良的大尺寸單斜相二氧化釩薄膜對滿足實際應用需要以及擴展其應用有著重大的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法，使用本發(fā)明的方法制備的單斜相二氧化釩外延薄膜，具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。
[0010]本發(fā)明提供了一種單斜相二氧化釩外延薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0011]A)在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
[0012]優(yōu)選的，所述釩原子束的噴射速率為0.06~0.15埃/秒。
[0013]優(yōu)選的，所述步驟A)具體為:
[0014]Al)在超高真空條件下，對襯底進行加熱；
[0015]A2)在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜；
[0016]所述超高真空的真空度為小于等于3.0*10_7Pa ;所述真空的真空度為6.0*10_4~
3.0*10_3Pa。
[0017]優(yōu)選的，所述襯底的溫度為400~550°C。
[0018]優(yōu)選的，所述釩原子束按照以下方法得到:電子束加熱蒸發(fā)金屬釩；
[0019]所述氧原子束按照以下方法得到:RF射頻離解氧氣。
[0020]優(yōu)選的,所述RF射頻離解氧氣中,氧氣的進氣速率為1.0~2.5sccm。
[0021]優(yōu)選的,所述襯底為旋轉(zhuǎn)襯底,所述旋轉(zhuǎn)襯底的轉(zhuǎn)速為4~6轉(zhuǎn)/分。
[0022]優(yōu)選的，所述反應時間為2~120分鐘。
[0023]優(yōu)選的，所述襯底為單晶Al2O3、單晶MgF2、單晶TiO2或單晶Si。
[0024]本發(fā)明提供一種單斜相二氧化釩外延薄膜，其特征在于，按以下步驟制備得到:
[0025]在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
[0026]本發(fā)明提供了一種單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法，本發(fā)明在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。本發(fā)明所制備的單斜相二氧化釩外延薄膜，具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用分子束外延方法制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明所制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有光滑平整的表面和均一厚度，在X射線衍射譜中，具有較高強度且單一的衍射峰，在相變臨界溫度前后的電阻率變化達到了 4個量級以上，接近體單晶二氧化釩的變化率，并且達到了約50mm直徑的較大尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明比較例1制備得到的單斜相二氧化釩薄膜的實物照片圖；
[0028]圖2為本發(fā)明比較例1制備得到的單斜相二氧化釩薄膜的X射線衍射譜圖；
[0029]圖3為本發(fā)明比較例1制備得到的單斜相二氧化釩薄膜相變臨界溫度前后變溫電阻變化曲線圖；[0030]圖4為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的實物照片圖；0031]圖5為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的X射線衍射譜圖；[0032]圖6為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜相變臨界溫度前后變溫電阻變化曲線圖；[0033]圖7為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的Φ角X射線衍射譜圖；[0034]圖8為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜相變前后2.5 μ m波長紅外光透射率變化曲線圖。
【具體實施方式】[0035]為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為了進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對發(fā)明權(quán)利要求的限制。[0036]本發(fā)明提供了一種單斜相二氧化釩外延薄膜的制備方法，包括以下步驟:在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。[0037]本發(fā)明所述方法制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。[0038]本發(fā)明所有原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的即可。[0039]本發(fā)明采用分子束外延的方法制備得到單斜相二氧化釩外延薄膜，為保證薄膜的高質(zhì)量，優(yōu)選對襯底先進行清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)；所述襯底優(yōu)選為單晶Al2O3、單晶MgF2、單晶TiO2或單晶Si，更優(yōu)選為單晶Al2O3、單晶TiO2或單晶Si ;本發(fā)明對清洗的過程沒有具體限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的清洗襯底的方法即可，優(yōu)選按照以下步驟進行:[0040]首先將襯底放入乙醇中，再采用超聲波清洗，最后用氮氣吹干。所述超聲波清洗的時間優(yōu)選為10~30分鐘，更優(yōu)選為15~25分鐘；本發(fā)明對乙醇的濃度沒有特別限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的用于清洗的乙醇即可，優(yōu)選為質(zhì)量濃度大于或等于95% ;本發(fā)明對超聲波的頻率沒有特別限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的用于清洗時的頻率即可；本發(fā)明對超聲波的來源沒有特別限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的超聲波清洗設(shè)備即可。[0041]本發(fā)明將上述清洗好的襯底放入分子束外延設(shè)備的生長室中。本發(fā)明為減少空氣中雜質(zhì)的影響，保證所制備的單斜相二氧化釩外延薄膜的品質(zhì)，優(yōu)選對生長室進行超高真空處理，所述超高真空的真空度優(yōu)選為小于等于3.0*10_7Pa，更優(yōu)選為小于等于2.0*107Pa。[0042]本發(fā)明優(yōu)選在反應前在上述超高真空的條件下對襯底預先進行加熱；所述加熱的溫度優(yōu)選為400~550°C，更優(yōu)選為430~520°C;本發(fā)明對所述加熱的速度沒有特別限制，為使襯底平穩(wěn)升溫，優(yōu)選為20~30°C /分鐘，更優(yōu)選為25°C /分鐘；本發(fā)明為了襯底受熱均勻，優(yōu)選對襯底進行勻速旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)速度優(yōu)選為4~6轉(zhuǎn)/分鐘，更優(yōu)選為4.5~5.5轉(zhuǎn)/分鐘。本發(fā)明對襯底的加熱設(shè)備沒有特別限制，優(yōu)選采用分子束外延設(shè)備中的襯底加熱設(shè)備；本發(fā)明對襯底的旋轉(zhuǎn)設(shè)備沒有特別限制，優(yōu)選采用分子束外延設(shè)備中的襯底旋轉(zhuǎn)設(shè)備；本發(fā)明對超高真空的產(chǎn)生設(shè)備沒有特別限制，優(yōu)選采用分子束外延設(shè)備中的超高真空產(chǎn)生設(shè)備。
[0043]本發(fā)明在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應；所述真空的壓力優(yōu)選為5.0*10-4~3.0*l(T3Pa，更優(yōu)選為6.0*10-4~2.5*l(T3Pa ;所述反應時間優(yōu)選為2~120分鐘，更優(yōu)選為10~100分鐘；所述釩原子束的噴射速率優(yōu)選為0.06~0.15埃/秒，更優(yōu)選為0.08~0.13埃/秒。
[0044]本發(fā)明對釩原子束的來源沒有特別限制，優(yōu)選采用電子束加熱蒸發(fā)金屬釩得到釩原子束，通過調(diào)節(jié)電子束電源的功率能夠控制釩原子束的加熱蒸發(fā)速率，即控制釩原子束的噴射速率；本發(fā)明對所述金屬釩的純度沒有特別限制，優(yōu)選為99.99%的釩粉。本發(fā)明對所述釩原子束噴射速率的測量方法沒有特別限定，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的分子束外延法中測量金屬原子噴射速率的方法即可，優(yōu)選采用石英晶振膜厚儀測量金屬釩原子束的噴射速率。
[0045]本發(fā)明對氧原子束的來源沒有特別限制，優(yōu)選采用RF射頻離解氧氣得到氧原子束，所述氧原子束為高活性氧原子束；所述氧氣的進氣速率優(yōu)選為1.0~2.5SCCm，更優(yōu)選為1.3~2.2sccm ;本發(fā)明通過調(diào)節(jié)氧氣的進氣速率控制氧原子束的噴射速率；本發(fā)明對所述氧氣的純度沒有特別限制，優(yōu)選為99.9999%的高純氧氣。本發(fā)明對所述氧氣進氣速率的控制方法沒有特別限定，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的控制氣體進氣速率的方法即可，優(yōu)選采用氣體質(zhì)量流量控制器(MFC)控制氧氣的進氣速率；本發(fā)明對RF射頻的頻率沒有特別限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的離解氧氣的頻率即可。
[0046]在本發(fā)明中，由于襯底材質(zhì)不同,優(yōu)選在上述釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應前，先使用氧原子束對襯底進行表面處理，從而得到更加平整的單晶襯底表面。本發(fā)明對上述需要進行表面處理的襯底材質(zhì)沒有特別限制，在本發(fā)明中當襯底為單晶氧化物時，即當襯底為單晶TiO2或者Al2O3時，優(yōu)選進行上述處理；本發(fā)明對處理時間沒有特別限制，優(yōu)選為5~10分鐘，更優(yōu)選為6~9分鐘。
[0047]本發(fā)明在上述反應沉積后，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜；為保證生長的單斜相二氧化釩外延薄膜性質(zhì)穩(wěn)定，本發(fā)明優(yōu)選在薄膜生長過程結(jié)束后，首先關(guān)閉金屬釩原子束，再關(guān)閉RF射頻，維持向反應室通入高純氧氣，然后降溫至室溫，最后關(guān)閉氧氣。本發(fā)明對降溫的速率沒有特別限制，優(yōu)選為10~20°C /分鐘，更優(yōu)選為13~17°C /分鐘；本發(fā)明對室溫沒有特別限制，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的室溫溫度即可，優(yōu)選為20~30°C。
[0048]本發(fā)明還提供了一種上述方法制備的單斜相二氧化釩外延薄膜，本發(fā)明采用上述分子束外延法，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底表面，反應沉積形成二氧化釩單晶外延薄膜，其具有較高的質(zhì)量和較大的尺寸，而且宏觀相變特征顯著。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明得到的單斜相二氧化釩外延薄膜直徑為2英寸(約為50mm)，外觀顏色為均勻的淡黃色，利用原子力顯微鏡(AFM)觀察表面所制備 的薄膜具有光滑平整的表面和均一厚度。從X射線衍射譜中可以看出，僅有一個尖銳的位于2 Θ =39.84的衍射峰，表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有較好的結(jié)晶性能和高生長取向；從Φ角掃描曲線中可以看出，六方對稱的衍射峰，表明本發(fā)明制備的為高取向二氧化釩單晶薄膜；電學和光學性質(zhì)的測試可以看出，單斜相二氧化釩外延薄膜電阻從室溫下的5ΜΩ變化到溫度在90°C時的300Ω以下，其相對變化達到4個量級以上，已經(jīng)接近二氧化釩體單晶的變化率，表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有顯著的宏觀相變特征。[0049]為了進一步說明本發(fā)明，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的單斜相二氧化釩外延薄膜及其制備方法進行詳細描述。
[0050]比較例I
[0051]將單晶Al2O3襯底進行預處理，首先將其放入乙醇中，再使用超聲波裝置清洗10分鐘,去除表面油污和雜質(zhì),最后用氮氣吹干。
[0052]將單晶Al2O3襯底放入激光脈沖沉積(PLD)系統(tǒng)的生長室中，此時生長室中的真空度為4.0*10_4Pa，對襯底進行加熱至550°C。
[0053]然后向生長室內(nèi)通入純度為99.999%的高純氧氣，使得生長室內(nèi)的工作氣壓為2Pa。開啟波長為248nm，脈沖頻率為IOHz的KrF脈沖激光，使其轟擊二氧化釩陶瓷靶，二氧化釩靶材表面產(chǎn)生高溫并燒蝕，形成等離子體羽輝，燒蝕物傳輸?shù)角胺降膯尉бr底表面，最后沉積成單斜相二氧化釩薄膜。
[0054]對上述使用PLD方法制備的單斜相二氧化釩薄膜進行觀察，結(jié)果如圖1所示，圖1為本發(fā)明比較例I制備得到的單斜相二氧化釩薄膜的實物照片圖，其大小約為20mm*10mm。
[0055]對上述使用PLD方法制備的單斜相二氧化釩薄膜進行Θ -2 Θ掃描模式的X射線衍射，如圖2所示，圖2為本發(fā)明比較例I制備得到的單斜相二氧化釩薄膜的X射線衍射譜圖。
[0056]對上述使用PLD方法制備的單斜相二氧化釩薄膜在相變臨界溫度前后的電阻率進行測量，結(jié)果如圖3所示，圖3為本發(fā)明比較例I制備得到的單斜相二氧化釩薄膜相變臨界溫度前后變溫電阻變化曲線圖。
[0057]實施例1
[0058]將直徑約為兩英寸的單晶Al2O3襯底進行預處理，首先將其放入乙醇中，再使用超聲波裝置清洗10分鐘，去除表面油污和雜質(zhì)，最后用氮氣吹干后，放入分子束外延設(shè)備進樣室中。
[0059]將單晶Al2O3襯底傳遞到分子束外延設(shè)備的生長室，此時生長室的真空度為
3.0*10_7Pa。將襯底以4轉(zhuǎn)/分鐘的速率勻速旋轉(zhuǎn)，同時對襯底以20°C /分鐘的加熱速率進行加熱，升溫至450°C。
[0060]然后打開氧氣閥門通入純度為99.9999%的高純氧氣，調(diào)節(jié)氣體流量計使氧氣流量保持在1.5sccm,開啟RF射頻源，調(diào)節(jié)射頻功率使氧氣充分離解為高活性氧原子束。打開RF射頻源擋板，利用高活性氧原子束流對單晶Al2O3襯底進行表面預處理，處理時間5分鐘，得到更加平整的Al2O3單晶表面。
[0061]再用電子束加熱蒸發(fā)純度為99.99%金屬釩使其產(chǎn)生釩原子束，并用石英晶振膜厚儀測量其速率，并調(diào)節(jié)電子束蒸發(fā)源的功率使其產(chǎn)生穩(wěn)定的，速率為0.10埃/秒釩原子束流。
[0062]最后打開擋板，在真空度為6.0*10_4Pa的真空條件下，將金屬釩原子束和氧原子束噴射到襯底表面反應沉積，外延生長形成二氧化釩外延薄膜，生長時間為120分鐘。 [0063]生長過程結(jié)束后，首先關(guān)閉金屬釩原子束，再關(guān)閉RF射頻源，但繼續(xù)向反應室通入氧氣，同時以10°c /分鐘的降溫速率降至室溫，最后關(guān)閉氧氣，得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
[0064]對上述方法制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜進行觀察，結(jié)果如圖4所示，圖4為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的實物照片圖，其直徑約為50mm。
[0065]對上述方法制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜進行Θ -2 Θ掃描模式的X射線衍射，如圖5所示，圖5為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的X射線衍射譜圖，由圖5和比較例中圖2可知，本發(fā)明得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的X射線衍射譜中除了來自襯底單晶Al2O3的(0006)衍射峰外，僅出現(xiàn)一個尖銳的位于2 Θ =39.84的衍射峰。這個衍射峰對應的就是單斜相二氧化fL的(020)衍射。而比較例I中利用PLD方法制備的單斜相二氧化釩薄膜的X射線衍射譜中所顯示的單斜相二氧化釩的(020)衍射強度弱且寬，同時出現(xiàn)微弱(011)的衍射。這表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有較好的結(jié)晶性能和高生長取向。
[0066]對上述方法制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜在相變臨界溫度前后的電阻率進行測量，結(jié)果如圖6所示，圖6為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜相變臨界溫度前后變溫電阻變化曲線圖。由圖6和比較例中圖3可知，本發(fā)明得到的單斜相二氧化釩外延薄膜從室溫下的5M Ω變化到溫度在90°C時的300 Ω以下，其相對變化達到4個量級以上，已經(jīng)接近二氧化釩體單晶的變化率，而比較例I中利用PLD方法制備的單斜相二氧化釩薄膜的電阻變化率在3個量級左右，即從室溫下的200k Ω變化到相變后的100 Ω左右。這表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有更加顯著的宏觀相變特征。
[0067]對上述方法制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜進行Φ角X射線衍射，如圖7所示，圖7為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜的Φ角X射線衍射譜圖，由圖7可知，本發(fā)明得到的單斜相二氧化釩外延薄膜具有六方對稱的衍射峰，這也表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜具有高生長取向。
[0068]對上述方法制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜在相變前后進行2.5 μ m波長紅外光的透射率的檢測，如圖8所示，圖8為本發(fā)明實施例1制備得到的單斜相二氧化釩外延薄膜相變前后2.5μπι波長紅外光透射率變化曲線圖，由圖8可知，本發(fā)明得到的單斜相二氧化釩外延薄膜對2.5 μ m波長紅外光的透射率在相變前達到70%以上，相變后迅速衰減到20%左右。這表明本發(fā)明制備的單斜相二氧化釩外延薄膜還具有優(yōu)異的紅外光譜特性。
[0069]實施例2
[0070]將單晶TiO2襯底進行預處理，首先將其放入乙醇中，再使用超聲波裝置清洗20分鐘，去除表面油污和雜質(zhì)，最后用氮氣吹干后，放入分子束外延設(shè)備進樣室中。
[0071]將單晶TiO2襯底傳遞到分子束外延設(shè)備的生長室，此時生長室的真空度為2.5*10_7Pa，然后將襯底以5轉(zhuǎn)/分鐘的速率勻速旋轉(zhuǎn)，同時對襯底以25°C /分鐘的加熱速率進行加熱，升溫至430°C。
[0072]然后打開氧氣閥門通入純度為99.9999%的高純氧氣，調(diào)節(jié)氣體流量計使氧氣流量保持在1.8sccm,開啟RF射頻源，調(diào)節(jié)射頻功率使氧氣充分離解為高活性氧原子束。打開RF射頻源擋板，利用高活性氧原子束流對單晶TiO2襯底進行表面預處理，處理時間5分鐘，得到更加平整的TiO2單晶表面。
[0073]再用電子束加熱蒸發(fā)純 度為99.99%金屬釩使其產(chǎn)生釩原子束，并用石英晶振膜厚儀測量其速率，并調(diào)節(jié)電子束蒸發(fā)源的功率使其產(chǎn)生穩(wěn)定的，速率為0.15埃/秒釩原子束流。
[0074]最后打開擋板，在真空度為9.0*10_4Pa的真空條件下，將金屬釩原子束和氧原子束噴射到襯底表面反應沉積，外延生長形成二氧化釩外延薄膜，生長時間為15分鐘。
[0075]生長過程結(jié)束后，首先關(guān)閉金屬釩原子束，再關(guān)閉RF射頻源，但繼續(xù)向反應室通入氧氣，同時以15°C /分鐘的降溫速率降至室溫，最后關(guān)閉氧氣，得到。
[0076]實施例3
[0077]將單晶MgF2襯底進行預處理，首先將其放入乙醇中，再使用超聲波裝置清洗30分鐘，去除表面油污和雜質(zhì)，最后用氮氣吹干后，放入分子束外延設(shè)備進樣室中。
[0078]將單晶MgF2襯底傳遞到分子束外延設(shè)備的生長室，此時生長室的真空度為
2.0*10_7Pa，然后將襯底以6轉(zhuǎn)/分鐘的速率勻速旋轉(zhuǎn)，同時對襯底以30°C /分鐘的加熱速率進行加熱，升溫至500°C。
[0079]然后用電子束加熱蒸發(fā)純度為99.99%金屬釩使其產(chǎn)生釩原子束，并用石英晶振膜厚儀測量其速率，并調(diào)節(jié)電子束蒸發(fā)源的功率使其產(chǎn)生穩(wěn)定的，速率為0.20埃/秒釩原子束流；然后打開氧氣閥門通入純度為99.9999%的高純氧氣，調(diào)節(jié)氣體流量計使氧氣流量保持在2.2sccm,開啟RF射頻源，調(diào)節(jié)射頻功率使氧氣充分離解為高活性氧原子束。
[0080]最后打開擋板，在真空度為1.6*10_3Pa的真空條件下，將金屬釩原子束和氧原子束噴射到襯底表面反應沉積，外延生長形成二氧化釩外延薄膜，生長時間為10分鐘。
[0081]生長過程結(jié)束后，首先關(guān)閉金屬釩原子束，再關(guān)閉RF射頻源，但繼續(xù)向反應室通入氧氣，同時以20°C /分鐘的降溫速率降至室溫，最后關(guān)閉氧氣，得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
[0082]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu) 選實施方式，應當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單斜相二氧化釩外延薄膜的制備方法，包括以下步驟: A)在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述釩原子束的噴射速率為0.06~0.15埃/秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟A)具體為: Al)在超高真空條件下，對襯底進行加熱； A2)在真空條件下，將釩原子束和氧原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜； 所述超高真空的真空度為小于等于3.0*10_7Pa ;所述真空的真空度為6.0*10_4~3.0*10_3Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述襯底的溫度為400~550°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述釩原子束按照以下方法得到:電子束加熱蒸發(fā)金屬鑰；; 所述氧原子束按照以下方法得到:RF射頻離解氧氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述RF射頻離解氧氣中，氧氣的進氣速率為1.0~2.5sccm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為旋轉(zhuǎn)襯底，所述旋轉(zhuǎn)襯底的轉(zhuǎn)速為4~6轉(zhuǎn)/分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述反應時間為2~120分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為單晶Al2O3、單晶MgF2、單晶TiO2或單晶Si。
10.一種單斜相二氧化釩外延薄膜，其特征在于，按以下步驟制備得到: 在真空條件下，將釩原子束和氧 原子束噴射到襯底上進行反應，外延生長得到單斜相二氧化釩外延薄膜。
【文檔編號】C30B29/16GK103556218SQ201310597765
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】鄒崇文, 陳實, 樊樂樂, 吳自玉 申請人:中國科學技術(shù)大學