Deposizione di strati atomici di diossido di vanadio e un modello ottico temperatura-dipendente
Summary
Film sottili (100-1000 Å) di diossido di vanadio (VO2) sono stati creati da deposizione di strati atomici (ALD) su substrati di vetro zaffiro. In seguito, le proprietà ottiche sono state caratterizzate attraverso la transizione metallo-isolante del VO2. Dalle proprietà ottiche misurate, un modello è stato creato per descrivere l’indice di rifrazione sintonizzabile di VO2.
Abstract
Diossido di vanadio è un materiale che ha una fase di metallo-isolante reversibile cambiare vicino a 68 ° C. Per crescere VO2 su un’ampia varietà di substrati, con wafer-disgaggio uniformità e controllo di livello di angstrom di spessore, è stato scelto il metodo di deposizione di strati atomici. Questo processo ALD consente di alta qualità, crescita bassa temperatura (≤ 150 ° C) di film ultrasottili (100-1000 Å) di VO2. Per questa dimostrazione, le pellicole di2 VO erano cresciute su substrati di vetro zaffiro. Questa tecnica di crescita bassa temperatura produce principalmente amorfo VO2 film. Una successiva solubilizzazione in una camera a vuoto ultra-alta con una pressione di 7 x 10-4 Pa di ultra-elevata purezza (99.999%) ossigeno prodotto orientato, Pellicole policristalline VO2 . La cristallinità, fase e ceppo del VO2 sono stati determinati mediante spettroscopia Raman e diffrazione di raggi x, mentre i livelli di stechiometria e impurità sono stati determinati mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi x, e infine la morfologia è stata determinata mediante microscopia a forza atomica. Questi dati dimostrano l’alta qualità dei film cresciuti da questa tecnica. Un modello è stato creato per adattarsi ai dati per VO2 nelle sue fasi metalliche e isolanti nella regione spettrale del vicino infrarosso. La costante dielettrica e indice di rifrazione del ALD VO2 d’accordo bene con gli altri metodi di fabbricazione nella sua fase isolante, ma ha evidenziato una differenza nel suo stato metallico. Infine, l’analisi delle proprietà ottiche dei film permesso la creazione di un modello di lunghezza d’onda e temperatura-dipendente dell’indice di rifrazione ottica complessa per lo sviluppo di VO2 come materiale sintonizzabile indice di rifrazione.
Introduction
Diossido di vanadio subisce una transizione di fase cristallina vicino a 68 ° C. Questo produce un cambiamento strutturale cristallo da monoclino a tetragonale. L’origine di questa transizione rimane controverso1, tuttavia una recente ricerca sta aiutando a sviluppare una comprensione dei processi che producono questa transizione2,3,4 . Indipendentemente dall’origine, la transizione di fase cambia le proprietà ottiche di VO2 da un isolante (trasmissione della luce) a temperatura ambiente per un materiale più metallico (che riflette e assorbendo la luce), sopra la temperatura di transizione2 .
Una varietà di metodi sono stati utilizzati per fabbricare il VO2 in passato (sputtering, deposizione fisica da vapore, deposizione chimica da vapore, epitassia da fasci molecolari, soluzione, ecc.) 5. le proprietà di VO2 dipendono in gran parte la tecnologia utilizzata per fabbricare i film6, che ha prodotto la significativa variabilità tra tecniche di crescita diversi e successivi tempri e portato a variabile cristallinità e pellicola Proprietà. Quest’opera indaga le proprietà ottiche di depositato strato atomico (ALD) cresciuta film, tuttavia, l’approccio è applicabile a tutti i tipi di VO2 film di modellazione.
Recentemente, gruppi stanno costruendo dispositivi ottici incorporando pellicole sottili di VO2 su substrati ottici. Come un nuovo metodo di deposizione in rapida crescita, ALD può aiutare nella realizzazione di questi dispositivi ottici e ha diversi vantaggi rispetto a tecniche alternative, come superficie grande uniformità e controllo livello spessore angstrom conformal film copertura7 ,8,9. ALD è la tecnica preferita per applicazioni che richiedono un approccio di strato dopo strato deposizione autolimitante, fabbricazione su un’ampia varietà di materiali del substrato (ad es., per l’integrazione eterogenei), o il rivestimento protettivo di 3D structures,10 . Infine, il rivestimento protettivo di strutture 3D del processo di ALD è particolarmente utile nelle applicazioni ottiche.
Per gli esperimenti in questa carta, ultrasottile, amorfo film ALD sono state coltivate su doppio-lato-lucidato, c-aereo substrati dello zaffiro alle basse temperature e ricotto in un ambiente di ossigeno per produrre film cristallini di alta qualità. Utilizzando le misure sperimentali, viene creato un modello per temperatura e lunghezza d’onda dipendente cambiamenti ottici in VO2 per consentirne l’utilizzo come un indice di rifrazione sintonizzabile materiale11.
Protocol
Representative Results
Discussion
I metodi di crescita descritti qui forniscano risultati riproducibili per quanto riguarda l’uniformità, la chimica, struttura e morfologia. Il precursore di vanadio è fondamentale per produrre la stechiometria corretta delle pellicole ALD come depositato. Questo precursore particolare promuove lo stato di Valenza + 4 vanadio, a differenza di molti altri elencati nella letteratura che promuovono il più comune stato di valenza di + 5. Inoltre, questo particolare precursore ha una piuttosto bassa pressione di vapore e richiede riscaldamento per fornire una dose sufficiente per saturare le condizioni dato. Dal momento che questo precursore inizia a degradare circa 175 ° C, questo imposta un limite superiore di temperatura per entrambi riscaldamento del precursore e la crescita di ALD. Un altro aspetto critico al raggiungimento di stechiometria corretta è la concentrazione di ozono (qui ~ 125 mg/L) durante il dosaggio. Spesso la concentrazione di ozono prodotto da un generatore in condizioni particolari si degrada o derive nel tempo. Se questo accade, l’impulso di ozono ed eliminazione dei fogli inceppati durate dovrà essere regolato per mantenere la stechiometria, morfologia e uniformità di wafer. Ciò che è descritto qui è come far crescere ALD VO2 su substrati dello zaffiro c-piano, che comprende l’ozono in situ pre-trattamento. I passaggi prima di crescita per la pulizia e la nucleazione sono dipendenti sul substrato; Tuttavia, il processo qui descritto funziona per la maggior parte dei substrati (inerti, ossidi, metalli, ecc.) Per determinare i migliori terminazione pulizia e preparazione per la crescita di VO2 , si dovrebbe considerare la reattività tra specie cessazione e il precursore di vanadio, riducendo al minimo qualsiasi ossido nativo sul substrato. Infine, questo processo è stato dimostrato su substrati ad elevato allungamento (fino a ~ 100) ma per casi estremi, si dovrebbe considerare un’esposizione o un metodo statico di ALD per migliorare ulteriormente la conformità.
La capacità di realizzare l’alta qualità, film di cristallini ALD VO2 dipende molto i parametri di ricottura post-deposizione. L’aspetto più critico è la pressione, in particolare la pressione parziale di ossigeno. Alto contenuto di ossigeno pressioni portano alla crescita di sfaccettatura e grano, finalmente causante il nanofilo formazione, come pure risultati nella fase V2O5 . Se la pressione di ossigeno è troppo bassa, ossigeno viene ricotto fuori le pellicole conseguente V2O3 fase. Così, per mantenere la corretta fase e ridurre la rugosità di pellicola, la pressione di ossigeno dovrebbe essere mantenuta nella gamma di 1 x 10-4 a 7 x 10-4 PA. Allo stesso modo, la temperatura è fondamentale per entrambi essere in grado di cristallizzare il film, mantenere la stechiometria e minimizzare irruvidimento del film. Mentre la temperatura del film2 VO è difficile da misurare, risultati empirici suggeriscono che la cristallizzazione richiede fase temperature superiori a 500 ° C. A temperature più elevate, è più difficile mantenere la giusta stechiometria e fase e produrre film gratis pinhole. C’è anche un trade-off tra temperatura e temprano temperature tempo, specificamente superiore possono ridurre il tempo di ricottura. Inoltre, la durata di ricottura è direttamente legata allo spessore del film. Film più spessi richiedono tempi più lunghi per raggiungere massima cristallizzazione. Quindi, la pressione di ossigeno, temperatura di ricottura e tempri tempo descritto metodi di cui sopra sono stati ottimizzati per produrre alta qualità VO2 film che esibiscono il più grande cambiamento nelle proprietà ottiche ad una temperatura di transizione quasi ideale. Infine, la rampa e la velocità di raffreddamento durante l’ossigeno tempri hanno un effetto sulla rugosità e morfologia; più lenta sono, più è liscia la film.
Deposizione di ALD e successiva ricottura di VO2 produce policristallino orientato film con uniformità di ampia area. ALD offre film conformally coltivati sulle morfologie tridimensionali su scala nanometrica di quasi qualsiasi substrato. Questo consente l’integrazione di2 VO in applicazioni innovative ed è particolarmente adatta per dispositivi ottici.
A seguito di crescita e misure ottiche, viene creato un modello che fornisce un buon adattamento ai dati per entrambi la trasmittanza e riflettanza di VO2 nella sua metallico e isolante fasi nella regione spettrale del vicino infrarosso (R2 = 0,96-0.99). La riflettanza della fase isolante a infrarossi è il processo più impegnativo nella creazione di questo modello. Termini di oscillatore supplementari sono stati aggiunti, ma questo ha aumentato la complessità del modello, solo marginalmente migliorano la vestibilità in questa regione. Si noti che in questo modello, la sovrapposizione di oscillatori di Lorentz è un comune ottico modello e non corrispondono necessariamente a transizioni elettroniche specifiche. Inizialmente, i modelli incluso un termine Drude, tuttavia, dopo l’ottimizzazione matematica, Drude termine essenzialmente è stato eliminato. Per questo motivo, sono state esaminate diverse tecniche di minimizzazione. Tuttavia, queste diverse tecniche convergevano su soluzioni simili che non prevedeva un termine di Drude. L’assenza di un termine di Drude in ALD VO2 potrebbe essere a causa di una serie di fattori, ad esempio 1) drogato-semiconduttore-come resistività, o 2) un cambiamento di frequenza del plasma per abbassare le energie e/o tasso di collisione grande (termine di smorzamento), d’intesa con il metallizzato Proprietà di questi film.
Nella fase di isolante, T < 60 ° C, la costante dielettrica e indice di rifrazione del ALD VO2 d’accordo bene con gli altri metodi di fabbricazione (sputtered4,20,21 e laser pulsata deposizione22 23). Allo stato metallico, T > 70 ° C, questi film ALD mostrano perdita inferiore rispetto il VO2 fabbricati da altri metodi. È importante notare che mentre metodi di fabbricazione diversi producono valori un po’ diversi per la costante dielettrica e indice di rifrazione di VO2, tutti i film mostrano un andamento simile.
Il modello in questa carta della dipendenza dalla temperatura e lunghezza d’onda di indice di rifrazione e la permittività ottica ben si accorda con i dati misurati sperimentalmente. Capacità di questo modello per produrre una buona qualità, adatta per i dati ottici misurati dimostra che le proprietà ottiche di VO2 può prevedere in modo affidabile come la fase cambia da un isolante ad un metallo. Utilizzando questi modelli, le proprietà ottiche di VO2 possono essere sintonizzate prevedibilmente di temperatura, spessore e lunghezza d’onda di progettare sistemi ottici che raggiungere obiettivi statici e dinamici. Questi modelli consentono la progettazione e sviluppo di sistemi ottici utilizzando VO2 in sistemi passivi e attivi, modificando lo spessore del film così come temperatura.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato da programmi di base presso l’US Naval Research Laboratory.
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 |
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