论文部分内容阅读
随着光电器件朝着微小型化、低功耗、集成化及智能化飞速发展，高性能光电材料与器件集成化技术成为当前热点之一。氧化钒由于其独特的光电性能在非制冷红外探测器、光电调节器、智能窗、光存储及传感器等应用领域备受关注。诸多氧化钒器件应用均对光电器件特性的一致性有着很高的要求，而氧化钒的多价态特性常导致薄膜组分、质量偏析较大，对光电器件特性的一致性影响很大。如何通过设计或优化氧化钒成膜工艺，获得表面质量、晶体结构和成分可控工艺，成为高成品率、高可靠性氧化钒光电器件的关键工作之一。本论文设计优化了不同方法在不同衬底上氧化钒的成膜特性，通过可控工艺实现了成膜质量可控，并结合不同光电特性探索了其应用研究。本论文分别采用金属钒热氧化法和反应溅射法制备氧化钒薄膜；通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、8-F太赫兹时域频谱系统（THz-TDS）及半导体参数分析仪对所制备的氧化钒薄膜微结构和光电性能进行了表征；通过原子迁移扩散、表面界面电子结构特点及电子运输机制并结合导电原子力显微镜（CAFM），研究了不同激励方式下氧化钒相变机理。首先，在聚酰亚胺（Polyimide：PI）及c-Al2O3基底上制备了氧化钒薄膜。通过研究热氧化工艺中的时间及温度对薄膜微结构及相变特性的影响，制备出具有良好热致相变性能的氧化钒薄膜。通过工艺优化得到结果如下：（1）基于PI基底60nm的金属钒经过380℃/120s的热氧化后形成的氧化钒薄膜相变性能良好，薄膜中V4+的含量为51.05%，相变温度为41℃，热滞回线宽度为5℃。（2）基于c-Al2O3基底100nm的金属钒经过500℃/60s的热氧化后形成的氧化钒薄膜具有稳定的热致相变特性，薄膜中V4+的含量为78.59%，相变温度为49℃，热滞回线宽度为4℃。（3）通过AFM原位加热测试系统表征不同温度下薄膜表面微结构的变化。随着温度的升高，薄膜表面形貌由长条状转变为圆形颗粒。分析得到氧化钒薄膜的热致相变特性是由其结构变化导致的。其次，利用太赫兹时域频谱系统测试了氧化钒薄膜的太赫兹波调制特性。研究结果表明随着激励光功率的增大，薄膜的太赫兹波调制变化率也随之变大。PI基底上的氧化钒薄膜在100mW的光激励下调制变化率可达73.8%，而c-Al2O3基底的氧化钒薄膜在800mW的光激励下调制变化率可达70.7%。经过多次原位反复测试结果表明优化工艺条件后所制备的氧化钒薄膜具有稳定可逆的太赫兹波调制特性。通过光激励时氧化钒薄膜表面温度的变化并结合电子运输机制分析认为光激励氧化钒薄膜产生相变是由薄膜内部载流子的迁移导致的。最后，通过外加电压的方式测试了Cu/VOx/Cu器件单元的电阻开关特性。其I-V曲线结果表明，薄膜的中V2O5含量越多，其开关特性越稳定。Cu/VOx/Pt、Cu/VOx/Al、Cu/VOx/Cu三种器件结构的电阻开关特性表明其分别为单极性，双极性和无极性存储单元。通过CAFM分析认为Cu/VOx/Pt和Cu/VOx/Cu都属于离子导电机制，前者是由氧空位引起的，后者是由金属细丝导致的，而Cu/VOx/Al的导电机制是空间电荷限制电流（SCLC）效应。总之，本文对氧化钒薄膜的制备工艺及其光电特性的测试进行了细致的研究，并探索了不同激励方式下其相变机制，为后续的深入研究和器件应用奠定了基础。