Deposición de capa atómica de dióxido de vanadio y un modelo óptico dependiente de la temperatura
Summary
Películas delgadas (100-1000 Å) de dióxido de vanadio (VO2) fueron creadas por la deposición de capa atómica (ALD) sobre sustratos de zafiro. Después de esto, las propiedades ópticas fueron caracterizadas a través de la transición metal aislante de VO2. De las propiedades ópticas de medida, un modelo fue creado para describir el índice de refracción ajustable de VO2.
Abstract
El dióxido de vanadio es un material que tiene una fase reversible de metal-insulator cambiar cerca de 68 ° C. Para crecer de VO2 en una amplia variedad de sustratos, con uniformidad de oblea-escale y control de nivel de angstrom de espesor, fue elegido el método de deposición de capa atómica. Este proceso ALD permite crecimiento de baja temperatura (≤150 ° C) de películas ultrafinas (100-1000 Å) del VO2de alta calidad. Para esta demostración, las películas de2 VO crecieron sobre sustratos de zafiro. Esta técnica de crecimiento de baja temperatura produce en su mayor parte amorfa VO2 películas. Un posterior recocido en un compartimiento del vacío ultraalto con una presión de 7 x 10-4 Pa de ultra alta pureza (99.999%) oxígeno producido orientado, películas de policristalino VO2 . La cristalinidad, la fase y la tensión del VO2 se determinaron mediante espectroscopía Raman y difracción de rayos x, mientras que se determinaron los niveles de la estequiometría y la impureza por espectroscopia de fotoelectrones de rayos-x, y finalmente se determinó la morfología Microscopía de fuerza atómica. Estos datos demuestran la calidad de las películas por esta técnica. Un modelo fue creado para adaptarse a los datos de VO2 en sus fases metálicas y aislamiento en la región espectral infrarroja cercana. La constante dieléctrica y el índice de refracción de la ALD VO2 de acuerdo con los métodos de fabricación en su fase de aislamiento, pero mostraron una diferencia en su estado metálico. Por último, el análisis de propiedades ópticas de las películas permitió la creación de un modelo dependiente de la longitud de onda y la temperatura del complejo Índice de refracción óptico para el desarrollo de VO2 como un material de índice de refracción ajustable.
Introduction
Dióxido de vanadio sufre una transición de fase cristalina cerca de 68 ° C. Esto produce un cambio estructural del cristal de monoclínico a tetragonal. El origen de esta transición sigue siendo controvertido1, sin embargo recientes investigaciones está ayudando a desarrollar un entendimiento de los procesos que producen esta transición2,3,4 . Cualquiera que sea el origen, la transición de fase cambia las propiedades ópticas del VO2 de aislante (transmisión de luz) a temperatura ambiente a un material más metálico (reflexión y absorción de luz) por encima de la temperatura de transición2 .
Una variedad de métodos se han utilizado para fabricar el VO2 en el pasado (sputtering deposición física de vapor, deposición de vapor químico, epitaxy de viga molecular, solución, etcetera.) 5. las propiedades de VO2 en gran parte dependen de la tecnología utilizada para fabricar las películas6, que ha producido la importante variabilidad entre técnicas diferentes de crecimiento y posterior recocido y llevado a diferentes cristalinidad y de la película propiedades. Este trabajo investiga las propiedades ópticas de la capa atómica depositado (ALD) crecido películas, sin embargo, el enfoque es aplicable a todo tipo de películas de2 VO de modelado.
Recientemente, los grupos están construyendo dispositivos ópticos mediante la incorporación de películas delgadas de VO2 en sustratos ópticos. Como un nuevo método de deposición creciente, ALD puede ayudar en la fabricación de estos dispositivos ópticos y tiene varias ventajas sobre técnicas alternativas, tales como la uniformidad de gran superficie, control de espesor nivel de angstrom y película conformal cobertura7 ,8,9. ALD es la técnica preferida para aplicaciones que requieren un enfoque uno mismo-limitador de deposición de capa por capa, fabricación en una amplia variedad de materiales de sustrato (ej., para la integración heterogénea), o capa conformal 3D estructuras10 . Por último, el revestimiento de conformación de estructuras 3D de proceso ALD es particularmente útil en aplicaciones ópticas.
Para los experimentos en este papel, ultrafino, amorfo películas ALD crecieron en doble-lado-pulido, sustratos de zafiro plano c en las temperaturas bajas y recuecen en un entorno de oxígeno para producir láminas cristalinas de alta calidad. Utilizando las mediciones experimentales, se crea un modelo para temperatura y longitud de onda dependiente de cambios ópticos en VO2 para permitir su uso como un material de índice de refracción ajustable11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los métodos de crecimiento descritos aquí proporcionan resultados reproducibles con respecto a la uniformidad, la química, la estructura y la morfología. El precursor de vanadio es esencial para producir la estequiometría correcta de depositar como películas ALD. Este precursor particular promueve el estado de Valencia + 4 vanadio, a diferencia de muchos de los otros mencionados en la literatura que promueven el estado de Valencia + 5 más común. Además, este precursor particular tiene una muy baja presión de vapor y requiere de calentamiento para proporcionar una dosis suficiente para saturar en las condiciones dadas. Puesto que este precursor empieza a degradarse alrededor de 175 ° C, esto establece un límite de temperatura superior a ambos calefacción del precursor y el crecimiento de la ALD. Otro aspecto crítico para lograr correcta estequiometría es la concentración de ozono (aquí ~ 125 mg/L) durante la dosificación. A menudo la concentración de ozono producido por un generador en condiciones particulares se degrada o se desplaza en el tiempo. Si esto sucede, el pulso de ozono y duraciones de purga debe ser ajustado para mantener la estequiometría, morfología y uniformidad de la oblea. Lo que aquí se describe es cómo crecer ALD VO2 sobre sustratos de zafiro plano de c, que incluye “in-situ” de ozono tratamiento previo. Los pasos previos de crecimiento para la limpieza y nucleación son dependientes sobre el sustrato; sin embargo, el proceso descrito aquí funciona para la mayoría de sustratos (inertes, óxidos, metales, etcetera.) Para determinar la mejor terminación limpieza y preparación para el crecimiento de VO2 , uno debe considerar la reactividad entre la extinción de especies y el precursor de vanadio minimizando cualquier óxido nativo en el substrato. Finalmente, este proceso se ha demostrado en los substratos de alta relación de aspecto (hasta ~ 100) pero para casos extremos, uno debe considerar una exposición o método estático ALD para mejorar aún más la dosis.
La capacidad para lograr alta calidad, láminas cristalinas de2 VO de ALD es absolutamente dependiente de los parámetros de recocido posterior al depósito. El aspecto más crítico es la presión, concretamente la presión parcial de oxígeno. Altas concentraciones de oxígeno presión conducen a un crecimiento tallado y grano, eventualmente causando formación de nanocable, así como los resultados en la fase de V2O5 . Si la presión de oxígeno es demasiado baja, el oxígeno es templado fuera de las películas resultantes en la fase de V2O3 . Por lo tanto, para mantener la fase correcta y minimizar la rugosidad de la película, la presión de oxígeno se debe mantener en el rango de 1 x 10-4 a 7 x 10-4 PA. Del mismo modo, la temperatura es crítica para ambos poder cristalizar la película, mantener la estequiometría y minimizar la rugosidad de la película. Mientras que la temperatura de la película de VO2 es difícil de medir, hallazgos empíricos sugieren que la cristalización requiere etapa temperaturas superiores a 500 º C. En temperaturas más altas, es más difícil mantener la estequiometría correcta y fase y producir películas gratis del agujero de alfiler. También hay una relación inversa entre la temperatura y Recueza tiempo, específicamente mayores temperaturas pueden reducir el tiempo de Recueza. Además, la duración Recueza se ata directamente el espesor de la película. Películas más gruesas requieren tiempos más largos para lograr la máxima cristalización. Así, la presión de oxígeno, temperatura de recocido y recuecen el tiempo descrito en los métodos anteriores fueron optimizados para producir alta calidad VO2 películas que exhiben el mayor cambio en propiedades ópticas a una temperatura de transición casi ideal. Finalmente, se recuecen la rampa y las tasas de enfriamiento durante el oxígeno tiene un efecto de aspereza y morfología; más lento son las películas de más suaves.
Deposición de ALD y posterior recocido de VO2 produce policristalino orientadas películas con uniformidad de gran superficie. ALD ofrece películas conformally crecidas en morfologías de nanoescala tridimensional de casi cualquier sustrato. Esto permite la integración de VO2 en aplicaciones novedosas y es especialmente idóneo para dispositivos ópticos.
Crecimiento y mediciones ópticas, se crea un modelo que proporciona un buen ajuste a los datos para ambos la transmitancia y reflectancia de VO2 en su metálico y aislante fases en la región espectral infrarroja cercana (R2 = 0.96-0.99). La reflectancia de la fase de aislamiento infrarrojo es el proceso más difícil en la creación de este modelo. Términos de oscilador adicionales fueron agregados, pero esta mayor complejidad del modelo, mejorar marginalmente el ajuste en esta región. Cabe señalar que en este modelo, la superposición de los osciladores de Lorentz es una óptica común del modelo y no necesariamente corresponden a transiciones electrónicas específicas. Inicialmente, los modelos incluyeron un término Drude, sin embargo, después de la optimización matemática, Drude término fue esencialmente eliminado. Por esta razón, se examinaron varias técnicas de minimización. Sin embargo, estas técnicas diferentes convergieron sobre soluciones similares que no implicó un término de Drude. La ausencia de un término de Drude en la ALD VO2 podría ser debido a una serie de factores, tales como 1) dopado semiconductor-como resistividad, o 2) un cambio de frecuencia de plasma para bajar energías o tasa de colisión grande (término de amortiguación), de acuerdo con los metálicos propiedades de estas películas.
En la fase de aislamiento, T < 60 ° C, la constante dieléctrica y el índice de refracción de la ALD VO2 de acuerdo con los métodos de fabricación (pulverización4,20,21 y láser pulsada deposición22 23). En el estado metálico, T > 70 ° C, estas películas ALD exhiben pérdida más baja que la de VO2 fabricado por otros métodos. Es importante notar que mientras los métodos de fabricación diferentes producen diferentes valores para la constante dieléctrica y el índice de refracción de VO2, todas las películas muestran tendencias similares.
El modelo en este trabajo de la dependencia de la temperatura y la longitud de onda de la permitividad óptica e índice de refracción está de acuerdo con los datos medidos experimentalmente. Capacidad de este modelo para producir un buen ajuste a los datos ópticos medidos demuestra que puede predecir confiablemente las propiedades ópticas de VO2 como la fase cambia de un aislante a un metal. Usando estos modelos, las propiedades ópticas de VO2 se pueden ajustarse como era de esperarse por la temperatura, espesor y longitud de onda para diseñar sistemas ópticos que metas estáticas y dinámicas. Estos modelos permiten el diseño y desarrollo de sistemas ópticos en VO2 sistemas pasivos y activos modificando el espesor de la película así como la temperatura.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por programas esenciales en el laboratorio de investigación Naval de Estados Unidos.
Materials
| c-Al2O3 | |||
| UHP Oxygen | Air Products | ||
| UHP Nitrogen | Air Products | ||
| Tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) | Air Liquide | ||
| Acetone | Fischer Scientific | A18-4 | |
| 2-propanol | Fischer Scientific | A416P-4 | |
| Savannah S200-G2 | Veeco – CNT | Savannah S200-G2 | |
| ozone generator | Veeco – CNT | ozone generator | |
| Platinum wire heater | HeatWave Labs | custom |
Referências
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