Dépôt de couches atomiques du dioxyde de Vanadium et un modèle optique dépend de la température

ATTENTION : Consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation et suivre toutes les mesures de sécurité appropriées et de procédures. La croissance de dépôt de couches atomiques de dioxyde de vanadium utilise un réacteur de l’ALD. Les précurseurs utilisés pour la croissance de l’ALD sont tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) et ozone (généré par ultra haute pureté, UHP, 99,999 % oxygène-gaz à 0,3 slm flux et 5 psi pression de sauvegarde). En outre, les gaz azote UHP (99,999 %) est utilisé pour la purge de la chambre du réacteur. Pour le vide ultérieur recuire, UHP oxygène gaz est utilisé au cours de recuit et de l’azote UHP pour la ventilation. TEMAV est inflammable et doit être utilisée uniquement avec contrôles d’ingénierie appropriés. Gaz oxygène comprimé est un danger et ne doit être utilisé avec les contrôles d’ingénierie appropriés. Gaz azote comprimé est un danger et ne doit être utilisé avec les contrôles d’ingénierie appropriés. Tous les gaz (TEMAV, oxygène, ozone et azote) sont connectés au réacteur ALD à l’aide de contrôles de sécurité appropriés ingénierie. Tubes en acier inoxydable relie le générateur d’ozone pour le réacteur de l’ALD, puisque c’est plus propre et plus fiable puis en plastique de tube. UHP d’oxygène et d’azote des sources distinctes sont reliés au vide recuit chambre à l’aide des contrôles de sécurité techniques appropriées avant de commencer la procédure. L’acétone et 2-propanol sont irritants et ne doivent être utilisés avec personnel protection équipement et la sécurité des procédures appropriées (p. ex., gants, hotte aspirante, etc..) 1. dépôt de couche atomique du dioxyde de Vanadium sur des substrats de saphir Nettoyer un c-Al2O3 (saphir) substrat comme suit : solvant nettoyer le substrat dans l’acétone à 40 ° C dans le sonicateur pendant 5 min, puis le transférer directement (sans rinçage) à 2-propanol à 40 ° C et laisser agir pendant 5 min. Rincer le substrat en marche désionisée de l’eau pendant 2 min et sécher avec l’azote gazeux. S’assurer que la chambre du réacteur ALD est à 150 ° C et ventilation du réacteur ALD à l’azote. Charge nettoyé saphir substrat dans le réacteur et pompe à fermer le réacteur < 17 vide Pa. Attendez au moins 300 s pour s’assurer que l’échantillon atteint 150 ° C. Préparer la chambre de l’ALD en s’écoulant 20 azote UHP de sccm dans la chambre (la pression de base ne doit pas dépasser 36 Pa), et ensuite des impulsions d’ozone pour 15 cycles saturés, où un cycle est une impulsion de 0,05-s suivie d’une purge de s 15. Pour cultiver le dioxyde de vanadium, impulsion TEMAV pour 0,03 s suivi d’un 30 s purge, puis d’ozone impulsion de 0,075 s suivie d’une purge de s 30. Répétez cette impulsion et purge cycle jusqu’à ce que la croissance souhaitée est atteinte.Remarque : Ce processus est presque linéaire avec un taux de croissance de 0,7 à 0,9 Å par cycle. Retirer l’échantillon provenant du réacteur de l’ALD en première ventilation de la chambre du réacteur ALD à l’azote UHP. Placer l’échantillon sur une plaque de métal (dissipateur de chaleur) pour le refroidir à température ambiante. Fermer le réacteur de l’ALD et pompe à < 17 vide Pa. L’échantillon contient maintenant un film d’oxyde de vanadium amorphe sur substrat de saphir.ATTENTION : Retirer l’échantillon avec précaution, étant donné que l’échantillon est chauffé à 150 ° C. 2. recuit Remarque : Les films de2 VO cultivées par la technique de l’ALD à l’étape 1 produisent amorphe VO2. Pour créer des films2 VO polycristallin orienté, les échantillons sont recuites dans un vide ultra-haut personnalisé recuit chambre avec une croix de six voies. Pour nettoyer la chambre de recuit, une serrure de charge est créée pour insérer et supprimer des échantillons. Un réchauffeur d’oxygène résistant 3″ diamètre est composé d’un radiateur personnalisé fil de platine. Cet appareil de chauffage assure un chauffage radiatif d’un traîneau Inconel oxydé, sur lequel sont montés les échantillons. Le traîneau a l’émissivité élevée pour le transfert de chaleur du radiateur aux échantillons. Assurez-vous que le traîneau est en charge de verrouillage, puis évacuer la serrure de charge à l’azote UHP et ouvrir la serrure de charge. Placer l’échantillon sur le traîneau dans la serrure de charge et charge d’écluse à proximité. L’écluse de charge jusqu’à ~0.1 Pa la pompe à l’aide de la pompe de l’ébauche. Ensuite, passer à la pompe turbo et serrure de charge pompe à < 10-4 PA. ouvrir le robinet-vanne et transférer le traîneau à la chambre de recuit, et pompe le recuit de chambre à < 10-5 PA. Débit 1,5 sccm ultra haute pureté (UHP, 99,999 %) l’oxygène dans la chambre de recuit.Remarque : Exécutez oxygène via 5 régulateur de débit massique sccm pour assurer un débit faible. La pression doit être comprise entre 1 x 10-4 et 7 x 10-4 PA. Cette pression doit être atteint avant que l’échantillon n’atteigne 150 ° C. Faire chauffer le traîneau à 560 ° C (mesure pyromètre avec thermocouple) en utilisant un chauffage rampe taux de ~ 20 ° C/min. Maintenez le traîneau à 560 ° C pendant 2 h (pour 300 Å film).NOTE : Le temps de recuit est épaisseur dépendante. Les données empiriques suggèrent recuit 1 h pour échantillons 250 Å mais 500 Å épais. Étancher l’échantillon en éteignant l’appareil de chauffage et en supprimant le traîneau de radiateur (vers la serrure de charge). Conserver l’échantillon dans l’environnement d’oxygène jusqu’à ce que la température de l’échantillon devient inférieure à 150 ° C (p. ex., utilisation de pyromètre dans la serrure de charge pour mesurer la température de l’échantillon).NOTE : Meilleurs échantillons sont obtenus en attendre de même des températures plus basses. Une fois que l’échantillon est < 150 ° C, éteindre l’alimentation en oxygène et fermer le robinet-vanne. Conduit d’évacuation à l’azote UHP. Retirer l’échantillon à < 50 ° C et placez l’échantillon sur une plaque métallique (dissipateur de chaleur) pour refroidir à température ambiante. Fermer la serrure de charge avec le traîneau vide et la pompe à 0,1 Pa à l’aide de la pompe de l’ébauche. Passer à la pompe turbo et serrure de charge pompe à < 10-4 PA. 3. caractérisation Examiner l’échantillon à l’aide de la spectroscopie Raman avec une source d’excitation de laser de 532 nm. Charger l’échantillon dans un microscope et l’amener dans le foyer. Vérifier le focus de l’échantillon de l’image de la caméra dans le logiciel. Affectez le scan Laser puissance 4 mW, durée d’exposition à 0,125 s, nombre de Scans à 10 et la taille d’aperçu à 40 µm. Cliquez sur spectre en direct pour observer le spectre Raman. Optimiser la mise au point, puissance du laser, temps d’exposition et nombre d’analyses afin de maximiser le rapport signal sur bruit. Cliquez sur enregistrer le spectre pour enregistrer les données.Ouvrir le spectre en OMNIC. Cliquez sur le bouton « Trouver Pks » pour identifier les pics. Déterminer la cristallinité, phase (VO2 vs VO, V2O3, V2O5, etc.) et la souche en comparant pics pour référencer les données pour les oxydes de vanadium12,13.NOTE : Les crêtes étroites indiquent cristallin de haute qualité, tandis que le durcissement de Raman phonon modes 193, 222 et 612 cm-1 et/ou de ramollissement du mode-1 389 cm sont des indicateurs de déformation en traction dans le cristal de2 VO. Déterminer l’orientation, cristallinité et phase par diffraction de rayons x (DRX).Remarque : L’apparition de pics dans le spectre DRX indique la nature de la structure cristalline, plus précisément la structure cristalline et l’orientation. Déterminer l’orientation de VO2 en faisant correspondre l’angle de 2Θ du pic XRD données aux cartes de base de données de Structure des cristaux inorganiques (ICSD) pour les différents plans de VO2. Déterminer la phase en faisant correspondre les pics de données aux cartes des phases de l’oxyde de vanadium différents. Comparaison manuelle des pics expérimentales à la base de données standard a été faite dans ce travail. Un seul pic de2 VO à 39,9 degrés vérifie la qualité de cristal2 VO et illustre l’orientation monoclinique (020). Déterminer les niveaux de stoechiométrie et impureté par spectrométrie de photoélectrons (XPS) Charger l’échantillon sur le porte-échantillon. Ouvrez le logiciel et cliquez sur verrouiller de charge de vent. Insérez le porte-échantillon dans la serrure de charge, puis cliquez sur pompe vers le bas. Attendre que la pression < 4 x 10-5 PA. cliquez sur le bouton de transfert pour déplacer le porte-échantillon dans la chambre. Vérifiez la pression de la chambre est < 7 x 10-6 PA. Mesure des paramètres d’entrée dans l’arborescence de l’expérience. Mettre en marche le pistolet à rayons x avec 400 µm taille de tache et puis allumez le pistolet d’inondation. Ajouter un point pour la mesure de l’enquête et ensuite ajouter des points d’analyse à haute résolution des éléments précurseurs (C et N) ainsi que les éléments de métrage (V et O). Pour chaque mesure, ajouter pass énergie (200 pour enquête et 20 eV pour les scans haute résolution) et le nombre d’analyses (2 ou plus pour enquête et 15 pour haute résolution). Placer ligne de mire pour la mesure de point à l’endroit souhaité sur l’échantillon. Cliquez et mettez en surbrillance le titre d’arbre expérience et puis cliquez sur « Experimental Run » dans la barre de menus pour exécuter tous les scans de mesure. Exécutez la procédure de ID enquête afin d’identifier et d’analyser les éléments dans le film. Sélectionnez Manuel pic ajouter suivie du pic Fit boutons afin d’analyser les liaisons dans les analyses de données à haute résolution. Déterminer stoechiométrie en prenant le rapport entre les intensités de pointe intégrée selon le manuel de XPS14. Lorsque vous avez terminé, arrêt les canons, puis cliquez sur le bouton de transfert pour passer le porte-échantillon dans la serrure de charge. Une fois l’échantillon dans la serrure de charge, cliquez sur verrouiller de charge de vent et décharger l’échantillon.Remarque : Ceci identifie la présence de tous les éléments d’enquête, identifiant ainsi les impuretés. XPS pics à des énergies de liaison spécifiques montrent les valences des oxydes de vanadium, comme illustré à la Figure 1. Par exemple, ces résultats montrent deux mesures représentatives de XPS obtenues en profondeur avec un canon à ions cluster gravure l’échantillon déposé comme le profilage. Mesurer la surface XPS montre un pic à eV ~ 518 démontrant la présence de V2O5, tandis que la mesure de XPS de l’échantillon gravé (en vrac du film) montre un pic à eV ~ 516 démontrant la présence de VO2. Le plein-largeur-à-moitié-max indique l’uniformité de la liaison du vanadium dans les films (en d’autres termes, la pureté de phase). En outre, l’analyse d’autre énergie pics permet d’identifier contamine (> 1 %). Déterminer la morphologie en utilisant la microscopie à force atomique (AFM) Allumez l’ordinateur et l’électronique de l’AFM. Démarrez le programme Nanoscope et sélectionnez Mode Tapping, puis sélectionnez charge Experiment. Initialiser le stade. Suivre l’ordre expérimentale sur le côté gauche de l’écran et cliquez sur le Menu de configuration. Utilisez les commandes de mise au point à l’optique de se concentrer sur le cantilever. Aligner le laser sur la sonde en cliquant sur optimiser la Position de Laser. Cliquez sur le bouton détecteur Autoalign et puis cliquez sur le levier de l’Autotune. Charger l’échantillon et vide. Cliquez sur le bouton naviguer et utiliser le trackball pour placer l’échantillon sous la tête. Cliquez sur Astuce réflexion et abaissez la tête à la surface de l’échantillon à l’aide de boule de commande, tout en maintenant le bouton de mise au point jusqu’à ce que la pointe soit en bref. Cliquez sur le bouton échantillon et fermer le capot de l’AFM. Cliquez sur le Menu paramètre de consulter. S’assurer que la taille de numérisation est < 1 µm et ensemble l’échantillons/ligne à 512. Cliquez sur le bouton de Menu de s’engager. Attendre 20 s. Définir la taille de numérisation pour 3 µm et laissez la vitesse de la numérisation à 3,92 Hz. optimisent l’image, si nécessaire, en changeant les paramètres : entraînement amplitude, point de consigne d’amplitude, intégrante et proportionnelles des gains. Capturer l’image souhaitée en cliquant sur le bouton image vers le bas puis le bouton Capture. Après la numérisation, cliquez sur le bouton de retrait. Double cliquez sur l’image souhaitée pour l’ouvrir dans le logiciel d’analyse. Pour déterminer la morphologie, cliquez sur le bouton aplatir et puis cliquez sur Exécuter. Extrait des paramètres statistiques en cliquant sur la rugosité pour calculer la rugosité de la surface, puis cliquez sur analyse de particules afin de calculer l’histogramme de profondeur et de grains de taille moyenne. Cliquez sur le Menu de navigation, puis cliquez sur la Position de chargement d’échantillon. Éteindre l’aspirateur et décharger l’échantillon.Remarque : Pour assurer l’uniformité de l’échantillon à échantillon, garder les mêmes paramètres de balayage d’AFM. Déterminer la réflectance et facteur de transmission optique. Utiliser une source optique accordable et mesurer le facteur de transmission optique et incidence normale de réflectance à (ou près) dans la région du proche infrarouge. Calibrer le système sans échantillon pour transmission de 100 % et avec un miroir or pour près de 100 % de réflectivité. Charger l’échantillon de2 VO sur la scène de température contrôlée. Stabiliser l’échantillon à la température désirée. Mesurer les transmission et réflexion sur le domaine spectral désiré, par exemple, dans l’ensemble de la région infrarouge proche.Remarque : Pour des résultats optimaux, la température doit être modifiée au moins 20 ° C au-dessus et au-dessous de la température de transition de VO2 (généralement, 68 ° C). 4. modélisation des constantes optiques (permittivité et indice de réfraction) Modéliser la permittivité diélectrique complexe, ε, en fonction de l’énergie des photons, E, à l’aide de l’équation suivante (où ε∞ est la permittivité de haute fréquence, suivie de la somme de n oscillateurs où n sont l’amplitude de l’oscillateur, En l’énergie de l’oscillateur et Bn l’amortissement de l’oscillateur) :NOTE : Custom Matlab programmes analysés et les données modélisées. Entrez les paramètres connus pour saphir substrat au point 4.1 et utilisez-les pour calculer la permittivité diélectrique en fonction de la longueur d’onde optique. Puis calculer l’indice de réfraction (n = √ε), et de calculer à l’aide de l’indice de réfraction, la réflexion et la transmittance du substrat. Comparer les résultats de l’étape 4.2 avec les données mesurées et puis emploie une technique d’optimisation (par exemple Nelder Mead15) pour mettre à jour les paramètres d’entrée de l’étape 4.2 afin de réduire l’erreur entre les résultats mesurés et calculés, ainsi optimisant les paramètres pour le substrat de saphir. Estimer des paramètres pour VO2 dans l’équation au point 4.1 et utilisez-les pour calculer la permittivité diélectrique. Puis calculer l’indice de réfraction (n = √ε) et l’utiliser, ainsi que l’épaisseur de VO2 , épaisseur de substrat, indice de réfraction (de l’étape 4.3), longueur d’onde optique, optique polarisation et angle d’incidence comme intrants pour le transfert de16 à obtenir la réflectivité et la transmittance du substrat2 enduit VO. Employer une technique d’optimisation (par exemple Nelder Mead15) pour mettre à jour les paramètres d’entrée de VO2 et réduire l’erreur entre les résultats mesurés et calculés, optimisant ainsi les paramètres pour la VO2. Effectuez les étapes 4.2 à 4.4 à plusieurs températures s’étendant sur les États isolants et métalliques de dioxyde de vanadium (températures de 30 à 90 ° C). Modéliser la relation entre la température de l’indice de réfraction de VO2 comme suit :où εVO2(T) est l’indice de réfraction de VO2 en fonction de la température, εins et εmétal sont la permittivité diélectrique des phases isolants et métalliques et f (t) est une fonction dépendant de la température qui régissent la distribution des propriétés optiques isolantes et métalliques. Utiliser une fonction de Fermi-Dirac comme pour f (t) pour régir la transition entre l’État isolant et métallique, semblable à des approximations efficaces moyennes17,18,19, donnée par :où Tt est la température de transition vitreuse et W contrôle la largeur de la transition. Employer une technique d’optimisation pour mettre à jour les paramètres (W et Tt) dans l’équation f (t) réduire l’erreur entre les résultats mesurés et calculés, optimisant ainsi la température de transition vitreuse et la largeur. Il en résulte un modèle de charge température et longueur d’onde pour la permittivité diélectrique et indice de réfraction de VO2.