Deposição de camada atômica de dióxido de vanádio e um modelo ótico de temperatura-dependente
Summary
Filmes finos (100-1000 Å) de dióxido de vanádio (VO2) foram criados pela deposição de camada atômica (ALD) em substratos de safira. A seguir, as propriedades ópticas foram caracterizadas através da transição metal-isolante de VO2. Propriedades ópticas da medido, um modelo foi criado para descrever o índice de refração sintonizável de VO2.
Abstract
Dióxido de vanádio é um material que tem uma fase de metal-isolante reversível mudar perto de 68 ° C. Para crescer VO2 em uma grande variedade de substratos, com uniformidade de bolacha-escala e controle de nível de angstrom de espessura, foi escolhido o método de deposição de camadas atômicas. Este processo ALD permite alta qualidade, crescimento de baixa temperatura (≤150 ° C) de filmes ultrafinos (100-1000 Å) de VO2. Para esta demonstração, os filmes de2 VO foram cultivados em substratos de safira. Esta técnica de crescimento de baixa temperatura produz principalmente filmes de2 VO amorfos. Uma posterior anneal em uma câmara de vácuo ultra elevada com uma pressão de 7 x 10-4 Pa de ultra-alta pureza (99,999%) oxigênio produzido orientado, filmes de2 VO policristalino. A cristalinidade, fase e tensão do VO2 foram determinadas por Espectroscopia Raman e difração de raios x, enquanto os níveis de impureza e estequiometria foram determinados por espectroscopia de fotoelétron de raios x, e finalmente a morfologia foi determinada por microscopia de força atômica. Estes dados demonstram a alta qualidade dos filmes crescido por esta técnica. Um modelo foi criado para se ajustar aos dados para VO2 em suas fases metálicas e isolantes na região espectral infravermelha próxima. A permissividade e o índice de refração do ALD VO2 acordado bem com os outros métodos de fabricação em sua fase de isolamento, mas mostraram uma diferença em seu estado metálico. Finalmente, a análise das propriedades ópticas dos filmes permitiu a criação de um modelo de comprimento de onda e temperatura-dependente do índice de refração óptico complexo, para o desenvolvimento de VO2 como um material de índice de refração ajustáveis.
Introduction
Dióxido de vanádio sofre uma transição de fase cristalina perto de 68 ° C. Isso produz uma mudança estrutural do cristal de monoclínico para tetragonal. A origem desta transição permanece controverso1, pesquisas recentes no entanto está ajudando a desenvolver uma compreensão dos processos que produzem esta transição2,3,4 . Independentemente da origem, a transição de fase muda as propriedades ópticas do VO2 de um isolador (transmissão de luz) em temperatura ambiente para um material mais metálico (refletindo e absorve luz) acima da temperatura de transição2 .
Uma variedade de métodos têm sido utilizados para fabricar o VO2 no passado (sputtering, deposição de vapor físico, deposição de vapor químico, Epitaxia de feixe molecular, solução, etc.) 5. as propriedades de VO2 dependem em grande parte a tecnologia usada para fabricar os filmes6, que produziu uma variabilidade significativa entre as técnicas de crescimento diferente e subsequentes anneal e levou a cristalinidade e filme de variação Propriedades. Este trabalho investiga as propriedades ópticas de atômica camada depositada (ALD) crescido filmes, no entanto, a abordagem é aplicável a todos os tipos de VO2 filmes de modelagem.
Recentemente, a grupos construir dispositivos ópticos pela incorporação de filmes finos de VO2 em substratos ópticos. Como um rápido crescimento novo método de deposição, ALD pode auxiliar na fabricação destes dispositivos ópticos e tem várias vantagens sobre técnicas alternativas, como uniformidade da grande-área, controle de espessura nível angstrom e filme conformal cobertura7 ,8,9. ALD é a técnica preferida para aplicações que requerem uma abordagem de deposição de camada por camada auto-limitada, fabricação em uma grande variedade de materiais do substrato (ex., para integração heterogênea), ou revestimento conformal 3D estruturas10 . Finalmente, o revestimento conformal de estruturas 3D do processo ALD é particularmente útil em aplicações ópticas.
Para os experimentos neste trabalho, ultrafinos, amorfo ALD filmes foram crescidos em duplo-lado-lustrado, c-plano safira substratos em baixas temperaturas e recozido em um ambiente de oxigênio para produzir filmes de alta qualidade cristalinas. Usando as medições experimentais, um modelo é criado para temperatura e comprimento de onda dependentes alterações ópticas no VO2 para permitir seu uso como um material de índice de refração sintonizável11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os métodos de crescimento descritos aqui fornecem resultados reprodutíveis com relação à uniformidade, química, estrutura e morfologia. O precursor do vanádio é fundamental para produzir a estequiometria correta dos filmes ALD como depositado. Este particular precursor promove o estado de Valência de vanádio + 4, ao contrário de muitos dos outros listados na literatura que promovem o estado de Valência + 5 a mais comum. Além disso, este precursor particular tem uma muito baixa pressão de vapor e requer aquecimento para fornecer uma dose suficiente para saturar nas condições dadas. Desde este precursor começa a se degradar cerca de 175 ° C, isso define um limite de temperatura superior para ambos aquecimento do precursor e crescimento de ALD. Outro aspecto fundamental para a realização correta estequiometria é a concentração de ozônio (aqui ~ 125 mg/L) durante a dosagem. Muitas vezes a concentração de ozônio produzido por um gerador sob condições particulares degrada ou flutua ao longo do tempo. Se isso acontecer, o pulso de ozônio e durações de limpeza terá que ser ajustada para manter a estequiometria, morfologia e uniformidade de wafer. O que é descrito aqui é como crescer ALD VO2 em substratos de safira c-avião, que inclui o ozônio in situ pré-tratamento. As etapas antes de crescimento para a limpeza e a nucleação são dependentes do substrato; no entanto, o processo descrito aqui funciona para a maioria dos substratos (inerte, óxidos, metais, etc.) Para determinar o melhor terminação limpeza e preparação para o crescimento de VO2 , deve-se considerar reatividade entre a extinção de espécies e o precursor de vanádio, minimizando qualquer óxido nativo no substrato. Finalmente, este processo tem sido demonstrado em alta proporção substratos (até ~ 100), mas para casos extremos, deve-se considerar uma exposição ou o método estático de ALD para melhorar conformality ainda mais.
A capacidade de atingir alta qualidade, filmes de2 ALD VO cristalinas é bastante dependente os parâmetros de recozimento de deposição de pós. O aspecto mais importante é a pressão, especificamente a pressão parcial de oxigênio. Oxigênio alto pressões levam ao crescimento de lapidação e grão, eventualmente causando a formação de nanofios, bem como resulta na fase V2O5 . Se a pressão de oxigênio é muito baixa, o oxigênio é recozido fora os filmes resultando em V2O3 fases. Assim, para manter a fase correta e minimizar a rugosidade do filme, a pressão de oxigênio deve ser mantida na faixa de 1 x 10-4 a 7 x 10-4 PA. Da mesma forma, a temperatura é fundamental para ambos sendo capaz de cristalizar o filme, manter a estequiometria e minimizar a rugosidade do filme. Enquanto a temperatura do filme VO2 é difícil medir, resultados empíricos sugerem que a cristalização requer temperaturas de estágio superiores a 500 ° C. Em temperaturas mais altas, é mais difícil manter a estequiometria correta e fase e produzir filmes grátis pinhole. Também há um trade-off entre a temperatura e recozem temperaturas vez, especificamente maiores podem reduzir o tempo de recozer. Além disso, a duração de recozer está directamente relacionada com a espessura do filme. Filmes mais espessas exigem tempos mais longos para atingir a máxima cristalização. Assim, a pressão de oxigênio, recoze temperatura e recoze o tempo descrito em métodos acima foram otimizados para produzir alta qualidade VO2 filmes que apresentam a maior mudança nas propriedades ópticas a uma temperatura de transição quase ideal. Finalmente, a rampa e taxas de resfriamento durante o oxigênio anneal têm um efeito sobre a rugosidade e morfologia; Estas são mais lento, mais suave dos filmes.
Deposição de ALD e subsequente anneal de VO2 produz orientado policristalino filmes com uniformidade de grande área. ALD oferece filmes com adultos em nanoescala tridimensional morfologias de quase qualquer substrato. Isso permite que novos aplicativos de integração VO2 e é especialmente adequado para dispositivos ópticos.
Após o crescimento e medições ópticas, um modelo é criado que fornece um bom ajuste aos dados para ambos a transmitância e reflectância do VO2 em seu metálico e isolamento fases na região espectral infravermelha próxima (R2 = 0,96-0,99). A reflectância da fase infravermelha de isolamento é o processo mais desafiador na criação deste modelo. Termos de oscilador adicionais foram adicionados, mas isso aumentou a complexidade do modelo, apenas marginalmente melhorar o ajuste nesta região. Note-se que, neste modelo, a superposição de osciladores de Lorentz é um comum óptico do modelo e não correspondem necessariamente às transições eletrônicas específicas. Inicialmente, os modelos incluíam um termo de Drude, no entanto, após otimização matemática, o Drude termo essencialmente foi eliminado. Por esta razão, foram examinadas várias técnicas de minimização. No entanto, essas diferentes técnicas convergiram sobre soluções semelhantes que não envolvia um termo Drude. A ausência de um termo de Drude no ALD VO2 poderia ser devido a uma série de fatores, tais como 1) dopado-semicondutores-como resistividade, ou 2) um deslocamento de frequência de plasma para reduzir as energias e/ou taxa de colisão grande (termo de amortecimento), de acordo com o metálico Propriedades desses filmes.
Na fase de isolamento, T < 60 ° C, a permissividade e o índice de refração do ALD VO2 concordam bem com os outros métodos de fabricação (sputtered4,20,21 e laser pulsado deposição22 23). No estado metálico, T > 70 ° C, estes filmes ALD exibem perda menor do que o VO2 fabricados por outros métodos. É importante notar que, enquanto os métodos de fabricação diferentes produzem um tanto diferentes valores para a constante de permissividade e índice de refração do VO2, todos os filmes mostram tendências similares.
O modelo neste trabalho da dependência da temperatura e comprimento de onda da permissividade óptica e índice de refração concorda bem com os dados medidos experimentalmente. Capacidade deste modelo para produzir uma boa qualidade de ajuste para os dados medidos ópticos demonstra que confiantemente pode prever as propriedades ópticas do VO2 , como a fase de muda de um isolador para um metal. Usando estes modelos, as propriedades ópticas do VO2 podem ser previsivelmente sintonizadas por temperatura, espessura e comprimento de onda para projetar sistemas ópticos que atingir objetivos estáticos e dinâmicos. Estes modelos permitem a concepção e desenvolvimento de sistemas ópticos com VO2 em sistemas passivos e ativos, modificando do filme espessura, bem como da temperatura.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado por programas de núcleo no laboratório de pesquisa Naval dos 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 |
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