ترسيب طبقة الذرية ثاني أكسيد الفاناديوم ونموذج بصرية تعتمد على درجة الحرارة
Summary
الأغشية الرقيقة (100-1000 Å) ثاني أكسيد الفاناديوم (فو2) تم إنشاؤها بواسطة ترسيب طبقة الذرية (المدة) على ركائز الياقوت. وفي أعقاب ذلك، اتسمت الخصائص البصرية من خلال انتقال معدن-عازل صوتي2. من الخصائص الضوئية المقاسة، تم إنشاء نموذج لوصف الانكسار الانضباطي فو2.
Abstract
ثاني أكسيد الفاناديوم هو مواد التي قد عكسها معدن-عازل مرحلة تغيير قرب 68 درجة مئوية. واختير لتنمو فو2 في مجموعة متنوعة واسعة من ركائز، مع الحجم ويفر من التوحيد ومراقبة سمك مستوى انغستروم، طريقة ترسيب طبقة الذرية. تمكن هذه العملية محددة المدة عالية الجودة، نمو منخفض الحرارة (دي وان فايف زيرو درجة مئوية) من الأفلام سامسونج (100-1000 Å) في مقطع صوتي2. لهذه التظاهرة، كانت تزرع الأفلام2 فو على ركائز الياقوت. هذا الأسلوب درجة الحرارة منخفضة النمو ينتج معظمها أفلام2 فو غير متبلور. يصلب اللاحقة في فراغ غرفة فائقة ذات ضغط 7 × 10-4 باسكال الأوكسجين فائقة النقاء (99.999%) أنتجت الموجه، الكريستالات فو2 الأفلام. كريستالينيتي، والمرحلة، وسلالة من فو2 حددت رامان الطيفي وحيود الأشعة السينية، بينما هي التي تحدد مستويات ستويتشيوميتري وشوائب مطيافية الأشعة السينية النانومترية، وأخيراً يحدده مورفولوجية مجهر القوة الذرية. وتبين هذه البيانات العالية جودة الأفلام نمت بهذا الأسلوب. تم إنشاء نموذج لتناسب للبيانات لمقطع صوتي2 في مراحلها المعدني والعزل في المنطقة الطيفية تحت الحمراء القريب. سماحية والانكسار “فو المدة”2 اتفق تماما مع أساليب التصنيع الأخرى في مرحلته العازلة، ولكن أظهرت فرقا في حالته الفلزية. وأخيراً، تحليل الخصائص البصرية للأفلام تمكين إنشاء نموذج الانكسار الضوئي المعقدة لتطوير فو2 كمادة الانضباطي إنكسار تعتمد على الطول الموجي، ودرجة الحرارة.
Introduction
ثاني أكسيد الفاناديوم يخضع لمرحلة انتقالية مرحلة بلورية قرب 68 درجة مئوية. ينتج هذا تغيير هيكلي كريستال من أحادي ميل تيتراجونال. منشأ هذا التحول تبقى مثيرة للجدل1من البحوث التي أجريت مؤخرا مع ذلك هو المساعدة على تطوير فهم العمليات التي تنتج هذا الانتقال2،،من34 . بغض النظر عن الأصل، يتغير طور انتقال الخصائص البصرية ل مقطع صوتي2 من عازل (تحيل الضوء) في درجة حرارة الغرفة إلى مادة معدنية أكثر (مما يعكس وامتصاص الضوء) فوق درجة حرارة التحول2 .
وقد استخدمت مجموعة متنوعة من الأساليب اختﻻق فو2 في الماضي (اﻷخرق المادية بخار ترسب ترسب البخار الكيميائي، تنضيد الحزمة الجزيئية، والحل،، إلخ.) 5-خصائص مقطع صوتي2 يعتمد إلى حد كبير على التكنولوجيا المستخدمة لاختلاق الأفلام يصلب6، التي أنتجت تباين كبير بين تقنيات مختلفة للنمو واللاحقة وأدت إلى اختلاف كريستالينيتي والأفلام خصائص. يحقق هذا العمل الخصائص البصرية لذرية طبقة أودعت (المدة) نمت الأفلام، بيد أن النهج ينطبق على نمذجة جميع أنواع الأفلام2 فو.
في الآونة الأخيرة، بناء مجموعات الأجهزة البصرية بدمج طبقات رقيقة من فو2 على ركائز الضوئية. كطريقة ترسيب جديدة تنمو بسرعة، المدة يمكن أن تساعد في اختﻻق هذه الأجهزة البصرية ومزايا عديدة على تقنيات بديلة، مثل مساحة كبيرة من التوحيد، للتحكم في سمك مستوى انغستروم، والفيلم الامتثالي التغطية7 ،،من89. المدة هو الأسلوب المفضل للتطبيقات التي تتطلب نهجاً ترسيب طبقة بطبقة الذاتي الحد، افتراء على طائفة واسعة من المواد الركيزة (مثلاً.، للتكامل غير متجانسة)، أو طلاء الامتثالي من 3D هياكل10 . وأخيراً، الطلاء الامتثالي من هياكل ثلاثية الأبعاد لعملية التعيينات المحددة المدة مفيد بشكل خاص في التطبيقات البصرية.
للتجارب في هذه الورقة، سامسونج، غير متبلور الأفلام المدة كانت تزرع في مزدوجة–الجانب المصقول، ركائز الياقوت ج-الطائرة في انخفاض درجات الحرارة وتعتيق في بيئة أكسجين إنتاج أفلام عالية الجودة البلورية. استخدام القياسات التجريبية، يتم إنشاء نموذج للتغيرات البصرية تعتمد درجة الحرارة والطول الموجي في فو2 لتمكين استخدامها كانكسار الانضباطي مواد11.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفير النمو الأساليب الموصوفة هنا استنساخه من نتائج فيما يتعلق بالتوحيد، والكيمياء، وهيكل، ومورفولوجيا. السلائف الفاناديوم أمر حاسم لإنتاج stoichiometry الصحيح المودعة كالأفلام التعيينات المحددة المدة. وتعزز هذه السلائف خاصة الدولة التكافؤ + 4 الفاناديوم، خلافا للعديد من الآخرين المدرجة في الأدبيات التي تعزز الدولة التكافؤ + 5 أكثر شيوعاً. بالإضافة إلى ذلك، هذه السلائف خاصة ضغط بخار منخفض نسبيا وتتطلب تدفئة لتوفير جرعة كافية تشبع الظروف نظراً. منذ بدء هذه السلائف للحط من حوالي 175 درجة مئوية، هذا بتعيين حد أقصى درجات حرارة أعلى لتدفئة كلا من السلائف ونمو محددة المدة. جانب آخر من جوانب حاسمة لتحقيق ستويتشيوميتري الصحيح هو تركيز الأوزون (~ 125 مغ/لتر هنا) خلال الجرعات. غالباً ما تركز الأوزون التي ينتجها مولد تحت ظروف معينة يحط من قدر أو الانجرافات على مر الزمن. إذا حدث هذا، نبض الأوزون والمدد تطهير سوف يتعين تعديلها للحفاظ على stoichiometry، مورفولوجيا، ورقاقة التوحيد. ما يرد هنا هو كيف ينمو “فو المدة”2 على ركائز الياقوت ج-الطائرة، التي تشمل الأوزون في الموقع قبل العلاج. تعتمد الخطوات قبل النمو للتنظيف والطلاء على الركازة؛ غير أن العملية الموصوفة هنا يعمل لمعظم ركائز (خاملة، أكاسيد المعادن، إلخ.) لتحديد أفضل تنظيف الإنهاء والتحضير للنمو2 فو، ينبغي النظر تفاعلية بين الأنواع الإنهاء والسلائف الفاناديوم مع التقليل من أي أكسيد الأصلي على الركازة. وأخيراً، أثبتت هذه العملية على ركائز ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع (حتى ~ 100) لكن للحالات القصوى، ينبغي النظر التعرض أو الأسلوب المدة الثابتة لتعزيز كونفورماليتي كذلك.
القدرة على تحقيق جودة عالية، “فو المدة” البلورية2 الأفلام تعتمد تماما على المعلمات انلينغ ترسب بعد. أن الجانب الأكثر أهمية هو الضغط، وعلى وجه التحديد الضغط الجزئي للأوكسجين. الأكسجين المرتفعة الضغوط تؤدي إلى نمو فاسيتينج والحبوب، مما تسبب في نهاية المطاف في تشكيل أسلاك متناهية الصغر، فضلا عن النتائج في المرحلة5 2س ت. إذا كان ضغط الأكسجين منخفضا جداً، هو تعتيق الأوكسجين من الأفلام الناتجة في المرحلة3 2س ت. وهكذا، للحفاظ على المرحلة الصحيحة وتقليل خشونة الفيلم، ضغط الأكسجين ينبغي الإبقاء على في النطاق من 1 × 10-4 إلى 7 × 10-4 السلطة الفلسطينية. وبالمثل، درجة الحرارة أمر حاسم لكلا يجري قادرة على بلورة الفيلم والحفاظ على ستويتشيوميتري وتقليل تخشين من الفيلم. في حين أن من الصعب قياس درجة حرارة الفيلم2 فو، توحي النتائج التجريبية أن تبلور تتطلب المرحلة درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية. في درجات حرارة أعلى، أنه من الصعب الحفاظ على ستويتشيوميتري الصحيح والمرحلة وإنتاج أفلام مجانية الثقب. كما أن هناك مفاضلة بين درجة الحرارة وأنيل الوقت، وعلى وجه التحديد أعلى درجات الحرارة يمكن أن تقلل من الوقت أنيل. بالإضافة إلى ذلك، أن مدة أننيال ارتباطاً مباشرا بسمك الفيلم. أفلام سمكا تتطلب وقت أطول لتحقيق الحد الأقصى من بلورة. وهكذا، ضغط الأكسجين، يصلب درجة الحرارة، ويصلب الوقت المبين في الأساليب المذكورة أعلاه كانت الأمثل لإنتاج عالية الجودة أفلام2 فو الذي يحمل أكبر تغيير الخصائص البصرية عند درجة حرارة التحول مثالية تقريبا. أخيرا، يصلب التعلية وتبريد معدلات خلال الأكسجين يكون لها تأثير على خشونة ومورفولوجيا؛ أبطأ وهذه بأكثر سلاسة الأفلام.
ترسب التعيينات المحددة المدة واللاحقة يصلب فو2 تنتج الأفلام الكريستالات المنحى مع مساحة كبيرة من التوحيد. المدة عروض الأفلام كونفورمالي تزرع في مورفولوجيس نانوية ثلاثية الأبعاد من تقريبا أي الركيزة. هذا يتيح إدماج2 فو في تطبيقات جديدة، وهو مناسبة خاصة تماما للأجهزة البصرية.
عقب النمو والقياسات الضوئية، يتم إنشاء نموذج الذي يوفر مناسباً للبيانات لكل منافذه ومراحل الانعكاس فو2 في معدنية والعزل في المنطقة الطيفية تحت الحمراء القريب (ص2 = 0.96-0.99). انعكاس لمرحلة العزل الأشعة تحت الحمراء هو العملية الأكثر تحديا في خلق هذا النموذج. تم إضافة شروط إضافية مذبذب، ولكن أدى هذا إلى زيادة درجة تعقيد نموذج، إلا بشكل هامشي تحسين الملاءمة في هذه المنطقة. تجدر الإشارة إلى أن في هذا النموذج، تراكب التذبذب لورينتز مشترك ضوئية النموذجية ولا تتوافق بالضرورة مع انتقالات إلكترونية محددة. في البداية، النماذج شملت مدة درود، ومع ذلك، بعد الرياضي الأمثل، درود أساسا القضاء على المدى. ولهذا السبب، بحثت العديد من تقنيات التقليل إلى أدنى حد. ومع ذلك، هذه التقنيات المختلفة المتقاربة عند حلول مماثلة لا تشمل فترة درود. يمكن أن يكون غياب مصطلح درود في “المدة فو”2 بسبب عدد من العوامل، مثل 1) يخدر-أشباه الموصلات-مثل المقاومة، أو 2) تحولاً تردد بلازما إلى انخفاض الطاقات و/أو معدل التصادم الكبيرة (مصطلح التخميد)، يوافق معدني خصائص هذه الأفلام.
في مرحلة العزل، T < 60 درجة مئوية وسماحيه الانكسار "فو المدة"2 تتفق تماما مع أساليب التصنيع الأخرى (محببة4،،من2021 والليزر النبضي ترسب22 ،23). في حالة معدنية، T > 70 درجة مئوية، هذه الأفلام المدة يحمل خسارة أقل من فو2 ملفقة بأساليب أخرى. من المهم أن نلاحظ أنه في حين تصنيع مختلف أساليب إنتاج قيم مختلفة نوعا ما سماحية والانكسار من فو2، جميع الأفلام تظهر اتجاهات مماثلة.
النموذجي في هذه الورقة الاعتماد على درجة الحرارة والطول الموجي سماحية الضوئية والانكسار تتفق تماما مع البيانات المقاسة تجريبيا. يوضح هذا النموذج قدرة على إنتاج نوعية جيدة تلائم البيانات الضوئية المقاسة أنه موثوق يمكن التنبؤ بها الخصائص البصرية لمقطع صوتي2 المرحلة التغييرات من عازل لمعادن. استخدام هذه النماذج، الخصائص البصرية لمقطع صوتي2 يمكن التنبؤ ضبطها بدرجة الحرارة، وسمك، والطول الموجي لتصميم النظم البصرية التي تحقق الأهداف الثابتة والدينامية. تمكين هذه النماذج في تصميم وتطوير النظم البصرية باستخدام مقطع صوتي2 في أنظمة السلبي والإيجابي عن طريق تعديل سمك الفيلم فضلا عن درجة الحرارة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل البرامج الأساسية في “مختبر أبحاث البحرية الأمريكية”.
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 |
References
- Park, J. H., et al. Measurement of a solid-state triple point at the metal-insulator transition in VO2. Nature. 500 (7463), 431-434 (2013).
- Yang, Z., Ko, C., Ramanathan, S. Oxide Electronics Utilizing Ultrafast Metal-Insulator Transitions. Annu. Rev. Mater. Res. 41 (1), 337-367 (2011).
- Tan, X., et al. Unraveling Metal-insulator Transition Mechanism of VO2 Triggered by Tungsten Doping. Sci. Rep. 2, 466 (2012).
- Verleur, H. W., Barker, A. S., Berglund, C. N. Optical Properties of VO2 between 0.25 and 5 eV. Phys. Rev. 172 (3), 788-798 (1968).
- Kiria, P., Hyett, G., Binions, R. Solid State Thermochromic Materials. Adv. Mater. Lett. 1 (2), 86-105 (2010).
- Konovalova, O. P., Sidorov, A. I., Shaganov, I. I. Interference systems of controllable mirrors based on vanadium dioxide for the spectral range 06-106 micrometer. J. Opt. Technol. 66 (5), 391 (1999).
- Premkumar, P. A., et al. Process Study and Characterization of VO2 Thin Films Synthesized by ALD Using TEMAV and O3 Precursors. ECS J. Solid State Sci. Technol. 1 (4), P169-P174 (2012).
- Rampelberg, G., et al. Crystallization and semiconductor-metal switching behavior of thin VO2 layers grown by atomic layer deposition. Thin Solid Films. 550, 59-64 (2014).
- Peter, A. P., et al. Metal-Insulator Transition in ALD VO2 Ultrathin Films and Nanoparticles: Morphological Control. Adv. Funct. Mater. 25 (5), 679-686 (2015).
- Rampelberg, G. . Thin film synthesis of VO2 and VN by gas-solid reactions and atomic layer deposition. , (2016).
- Kats, M. A., et al. Vanadium Dioxide as a Natural Disordered Metamaterial: Perfect Thermal Emission and Large Broadband Negative Differential Thermal Emittance. Phys. Rev. X. 3 (4), 041004 (2013).
- Atkin, J. M., et al. Strain and temperature dependence of the insulating phases of VO2 near the metal-insulator transition. Phys. Rev. B. 85 (2), 020101 (2012).
- Petrov, G. I., Yakovlev, V. V., Squier, J. Raman microscopy analysis of phase transformation mechanisms in vanadium dioxide. Appl. Phys. Lett. 81 (6), 1023-1025 (2002).
- Moulder, J. F. . Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Spectra for Identification and Interpretation of XPS Data. , (1992).
- Nelder, J. A., Mead, R. A Simplex Method for Function Minimization. Comput. J. 7 (4), 308-313 (1965).
- Born, M., Wolf, E. . Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. , (1999).
- Choi, H. S., Ahn, J. S., Jung, J. H., Noh, T. W., Kim, D. H. Mid-infrared properties of a VO2 film near the metal-insulator transition. Phys. Rev. B. 54 (7), 4621-4628 (1996).
- Jepsen, P. U., et al. Metal-insulator phase transition in a VO2 thin film observed with terahertz spectroscopy. Phys. Rev. B. 74 (20), 205103 (2006).
- Rozen, J., Lopez, R., Haglund, R. F., Feldman, L. C. Two-dimensional current percolation in nanocrystalline vanadiumdioxide films. Appl. Phys. Lett. 88 (8), 081902 (2006).
- Tazawa, M., Jin, P., Tanemura, S. Optical constants of V1-xWxO2 films. Appl. Opt. 37 (10), 1858-1861 (1998).
- . Micro- and Nano-scale Optoelectronic Devices Using Vanadium Dioxide Available from: https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/68313 (2014)
- Briggs, R. M., Pryce, I. M., Atwater, H. A. Compact silicon photonic waveguide modulator based on the vanadium dioxide metal-insulator phase transition. Opt. Express. 18 (11), 11192-11201 (2010).
- Dicken, M. J., et al. Frequency tunable near-infrared metamaterials based on VO2 phase transition. Opt. Express. 17 (20), 18330 (2009).
