JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Атомно-слоевое осаждение диоксид ванадия и температур зависимая оптические модели

Published: May 23, 2018
doi:
10.3791/57103
, ,
1Naval Research Laboratory

Summary

Тонких пленок (100-1000 Å) диоксид ванадия (VO2) были созданы атомно слоевого осаждения (МОП) на подложках сапфира. После этого оптические свойства были охарактеризованы через переходный металл диэлектрик VO2. От измеряемых оптических свойств для описания настраиваемых преломления VO2была создана модель.

Abstract

Диоксид ванадия – это материал, который имеет реверсивные металл диэлектрик фазы изменения около 68 ° C. Расти VO2 на разных субстратах, с единообразия пластин масштаба и уровня контроля толщины Ангстрем, был выбран метод атомно слоевого осаждения. Этот процесс ALD обеспечивает высокое качество, низкая температура (≤150 ° C) роста пленок (100-1000 Å) ультратонких VO2. Для этой демонстрации VO2 фильмы были выращены на подложках сапфира. Эта техника низких температур роста производит главным образом аморфных пленок2 В.О. Последующего отжига в ультра-высокой вакуумной камере с давлением 7 x 10-4 ПА ультра-высокой чистоты (99,999%) кислорода ориентированной, поликристаллического VO2 фильмов. Кристалличность, фазы и штамм VO2 были определены Рамановская спектроскопия и дифракции рентгеновских лучей, в то время как стехиометрии и примеси уровни были определены Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, и наконец определяется морфология атомно-силовой микроскопии. Эти данные демонстрируют высокое качество фильмов, вырос на этот метод. Приспособиться к данным для VO2 металлических и изоляционные фазы в регионе ближнего инфракрасного спектрального была создана модель. Диэлектрическая проницаемость и преломления ALD VO2 согласился хорошо с другими методами изготовления изоляционных этапе, но показал разницу в состоянии металлический. Наконец анализ фильмов оптических свойств позволило создание модели зависит от длины волны и температуры комплекс оптического преломления для разработки VO2 как перестраиваемый преломления материала.

Introduction

Диоксид ванадия проходит кристаллическое фазового перехода около 68 ° C. Это производит изменение структурной кристалл от моноклинная тетрагональная. Происхождение этого переходного периода остается спорным1, однако недавние исследования помогает развивать понимание процессов, которые производят этот переход по2,3,4 . Независимо от происхождения фазового перехода изменения оптических свойств VO2 с изолятором (передавая свет) при комнатной температуре более металлического материала (отражающие и поглощающие свет) выше температуры перехода2 .

Различные методы были использованы для изготовления VO2 в прошлом (напыление, физическое парофазное осаждение, химического осаждения паров, Эпитаксия молекулярного луча, решения, и т.д.) 5. свойства VO2 во многом зависит от технологии используются для изготовления пленок,6, который принес существенные различия между различными роста методов и последующего отжига и привело к различной Кристалличность и кино Свойства. Эта работа исследует оптические свойства атомного слоя на хранение (МОП) выросли фильмы, однако, этот подход применим к моделирование всех типов VO2 фильмов.

Недавно группы построения оптических устройств путем включения тонких пленок VO2 на оптических поверхностей. Как быстро растущих новый метод осаждения ALD может помочь в изготовлении этих оптических устройств и имеет ряд преимуществ над альтернативные методы, такие как большой площади единообразия, Ангстрем контроля уровня толщины и конформных пленки покрытия7 ,8,9. ALD является предпочтительной методикой для приложений, требующих самоограничения подход слой за слоем осаждений, изготовление на широкий спектр материалов подложки (например., для интеграции разнородных), или конформное покрытие 3D конструкций10 . Наконец конформное покрытие трехмерных структур ALD процесса является особенно полезным в оптических приложений.

Для экспериментов в настоящем документе, ультратонкий, аморфные ALD фильмы были выращены на двойной стороне полированная c плоскость сапфирового субстратов на низких температурах и отжигом в среде кислорода для производства кристаллических фильмов высокого качества. С помощью экспериментальных измерений, модель создается для зависимых оптические изменения температуры и длины волны в VO2 , чтобы разрешить его использование как перестраиваемый преломления материала11.

Protocol

Предупреждение: Проконсультироваться все листы данных соответствующих безопасности материалов (MSDS) перед использованием и соблюдать все соответствующие безопасности практики и процедур. Атомно-слоевого осаждения рост диоксид ванадия использует ALD реактора. Прекурсоры, используемые для роста ALD являются tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) и озона (генерируется из ультра-высокой чистоты, UHP, 99,999% кислорода газа на 0,3 ОДС потока и 5 psi, бэк давления). Кроме того газ азот UHP (99,999%) используется для очистки камеры реактора. Для последующих вакуумный отжиг, UHP кислород газ используется во время отжига и UHP азота для вентиляции. TEMAV легко воспламеняется и должен использоваться только с контроля. Газ сжатый кислород представляет опасность и должно использоваться только с контроля. Газ сжатый азот представляет опасность и должно использоваться только с контроля. Все газы (TEMAV, кислород, озон и азота) подключены к реактор ALD, используя надлежащие технические средства контроля безопасности. Трубки из нержавеющей стали соединяет генератора озона в ALD реактор, так как это более чистых и более надежные то пластиковых труб. Отдельные источники кислорода и азота UHP подключены к вакуумный отжиг камеры, используя надлежащие технические средства контроля безопасности перед началом процедуры. Ацетон и 2-пропанол раздражителей и должен использоваться только с соответствующими личного защитного оборудования и безопасности процедурами (например, перчатки, вытяжного шкафа, и т.д.) 1. атомно-слоевого осаждения диоксид ванадия на подложках сапфира Очистите подложке c-Al2O3 (Сапфир) следующим образом: растворитель чистой подложки в ацетон при 40 ° C в sonicator на 5 мин, затем передать непосредственно (без промывки) 2-пропанол при 40 ° C и sonicate для 5 минут промыть субстрата в управлении деионизированной воды на 2 мин и высушить его с газом азота. Убедитесь, что ALD камеры реактора при 150 ° C и вент ALD реактор с газом азота. Нагрузки очищены сапфира в реактор, закройте реактора и насос для < 17 ПА вакуума. Подождите по крайней мере 300 s, чтобы гарантировать, что образец достигает 150 ° C. Подготовка ALD палата течет 20 sccm UHP азота в камеру (базовый давление не должно превышать 36 ПА), и затем пульс озона для 15 насыщенных циклов, где один цикл составляет 0,05 s пульс, следуют 15 s продувки. Расти диоксид ванадия, пульс TEMAV для 0,03 s следуют 30 s очистить, а затем импульса озона для 0,075 s следуют 30 s продувки. Повторите этот пульс и очистки цикла, пока не будет достигнуто желаемого роста.Примечание: Этот процесс является практически линейным с темпами роста 0,7-0,9 Å за цикл. Удалите образец из реактора ALD, первый вентиляционные камеры реактора ALD UHP азотом. Поместите образец на металлической табличке (радиатор), охладить до комнатной температуры. Закройте нос реактора и насос для < 17 ПА вакуума. Этот образец содержит теперь оксидной пленки аморфного ванадия на сапфира.Предупреждение: Удалите образец тщательно, так как образец нагревается до 150 ° C. 2. отжиг Примечание: VO2 фильмы выросла методика ALD на шаге 1 производить аморфные VO2. Для создания ориентированных поликристаллических VO2 фильмов, образцы являются отжигом в пользовательских ультра-высокого вакуума, отжиг камеры с шести путь Креста. В чистоте отжига камеры, блокировка загрузки создается для вставки и удаления образцов. Кислорода устойчивостью нагреватель диаметр 3» состоит из пользовательских провода платины нагреватель. Этот нагревательный прибор обеспечивает радиационного нагрева окисленных Инконель сани, в котором установлены образцы. Нарты обладает высокой теплоотдачей для хорошей теплопередачи от нагревателя к образцам. Убедитесь, что сани в замок нагрузки, а затем Вент замка нагрузку азотом UHP и открыть замок нагрузки. Поместите образец на салазках в замок нагрузки и закрыть нагрузки шлюзовой камеры. Насос Блокировка нагрузки ~0.1 Pa с помощью черновой насоса. Затем, переключитесь на turbo насоса и насос нагрузки блокировки для < 10-4 ПА открыть заслонку и передачи нарты отжига палате, и насос отжиг камеры для < 10-5 ПА. Потока 1.5 sccm ультра-высокой чистоты (UHP, 99,999%) кислорода в камеру для отжига.Примечание: Пробежать 5 sccm контроллер массового потока для обеспечения низкого расхода кислорода. Давление должно быть между 1 x 10-4 и 7 x 10-4 ПА. Это давление должно достигаться прежде чем образца достигает 150 ° C. Тепло саней до 560 ° C (мера с пирометром и термопары) с применением нагрева рамп ставка ~ 20 ° C/мин держать след на 560 ° C на 2 ч (для 300 Е фильм).Примечание: Время отжига является толщина зависит от. Эмпирические данные свидетельствуют о том, отжига 1 ч для образцов 250 Å но 500 Å толщиной. Утолите образца, отключение нагреватель и удаляя нарты из Ассамблеи отопителя (в сторону замка нагрузки). Держите образец в среде кислорода, до тех пор, пока температура образца становится менее чем 150 ° C (например, использования пирометра в замок нагрузки для измерения температуры образца).Примечание: Лучше образцов достигаются путем ждать даже более низких температурах. После того, как образец < 150 ° C, выключить поток кислорода и закрыть задвижки. Вент UHP азотом. Удалить образец в < 50 ° C и место образца на металлической пластине (радиатор) остыть до комнатной температуры. Закройте замок нагрузки с пустых салазок и насос до 0,1 ПА с помощью черновой насоса. Переключиться на turbo насоса и насос нагрузки блокировки для < 10-4 ПА. 3. характеристика Рассмотрим пример с помощью Рамановская спектроскопия с источником возбуждения 532 нм лазер. Загрузить образец в микроскоп и приведения его в фокус. Проверьте образец фокус изображения с камеры в программном обеспечении. Установить сканирование мощность лазера до 4 МВт, время экспозиции до 0,125 s, число сканирует до 10 и размер предварительного просмотра до 40 мкм. Нажмите кнопку Live спектр соблюдать спектра комбинационного. Оптимизируйте фокус, мощность лазера, времени экспозиции и количество сканов увеличить соотношение сигнал-шум. Нажмите кнопку Сохранить спектра для сохранения данных.Откройте спектра в ОМНИК. Нажмите кнопку «Найти Pks» для определения пиков. Определите кристалличности, фазы (VO2 против VO, V2O3, V2O5, и т.д.) и деформации, сравнивая пиков в справочных данных для оксидов ванадия12,13.Примечание: Узкие пики указывают высокие кристаллического качества, а закалка Раман Фонон режимы 193, 222 и 612 см-1 и/или смягчения режима-1 389 см показатели растягивающие напряжения в VO2 кристалл. Определите ориентацию, кристалличность и фазы дифракции рентгеновских лучей (XRD).Примечание: Появление пиков в Дифракционные спектры указывает характер кристаллической структуры, специально Кристаллическая структура и ориентация. Определите ориентацию VO2 , сопоставляя 2Θ угол XRD данных пик в неорганических кристалл структура базы данных (МКУР) карты для различных плоскостях VO2. Определение стадии путем сопоставления данных вершин для карт разные ванадиевых оксид фаз. В этой работе было выполнено ручное сравнение экспериментальных пиков в стандартной базе данных. Один пик2 VO на 39,9 градусов проверяет качество хрусталя VO2 и демонстрирует моноклинная (020) ориентацию. Определить уровни стехиометрии и примеси, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) Загрузите образец на держатель образца. Откройте программу и нажмите кнопку блокировки сброса нагрузки. Вставьте держатель образца в замок нагрузки и нажмите кнопку насоса вниз. Подождите, пока давление < 4 x 10-5 ПА нажмите кнопку передачи для перемещения держателя образца в камеру. Проверьте давление в камере < 7 x 10-6 ПА. Входные параметры измерения в дерево эксперимента. Включите рентгеновская пушка пятно размером 400 мкм, а затем включите наводнение пистолет. Добавить точку для измерения обследования и затем добавить точки для высокого разрешения сканирования прекурсоров элементов (C и N), а также элементы фильма (V и O). Для каждого измерения добавьте проход энергии (200 eV для обследования и 20 eV для сканирования с высоким разрешением) и количество сканов (2 или больше для обследования и 15 для высокого разрешения). Поместите перекрестие для измерения точки в желаемое место на образце. Нажмите кнопку и выделите название дерево эксперимента и нажмите кнопку «Экспериментальных Run» в строке меню для выполнения всех измерений сканов. Выполните процедуру обследования ID выявлять и анализировать элементы в фильме. Выберите руководство пик следуют кнопки пик подходят для анализа соединения данных с высоким разрешением сканирования. Определите стехиометрии, принимая отношение интенсивностей комплексной пик по XPS Справочник14. Когда закончите, выключения пушки, нажмите кнопку передачи для перемещения держателя образца в замок нагрузки. Как только образец находится в замке нагрузки, нажмите кнопку блокировки сброса нагрузки и выгрузки образца.Примечание: Это определяет присутствие всех элементов в обзоре, тем самым определение примеси. XPS пиков на конкретные привязки энергии Показать валентности оксидов ванадия, как показано на рисунке 1. Например эти результаты показывают два представителя измерения XPS, полученная глубина профилирования с ружьем кластера ионного травления как хранение образцов. XPS измерение поверхности показывает пик в eV ~ 518 демонстрирует наличие V2O5, в то время как измерение XPS травлению образца (навалом фильма) показывает пик в eV ~ 516 продемонстрировать присутствие VO2. Полная ширина на половина Макс указывает склеивание единообразия ванадия в фильмах (другими словами, чистоту фаза). Кроме того, анализ других энергии пики позволяет идентификации загрязняет (> 1%). Определить морфологию с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) Включите компьютер и АСМ электроника. Запустите программу Nanoscope и выберите режим касания, а затем выберите Загрузить эксперимент. Инициализируйте этап. Выполните экспериментальный порядок в левой части экрана и выберите меню настройки. Использование элементов управления фокус фокус оптики на консольные. Выравнивание лазера на зонд, нажав кнопку оптимизировать положение лазера. Нажмите кнопку автонастройки детектор и затем нажмите кнопку Autotune консольные. Загрузить образец и включите пылесос. Нажмите кнопку Навигатор и использовать trackball для того чтобы поместить образец под голову. Нажмите кнопку Подсказка отражения и опустите голову к поверхности образца, используя Trackball, удерживая кнопку фокус до тех пор, пока кончик находится в фокусе. Нажмите кнопку образец и закройте капот AFM. Нажмите кнопку меню параметров проверки. Обеспечивает сканирование размер < 1 мкм и установить образцы/линия 512. Нажмите кнопку начать меню. Подождите 20 s. Установить размер сканирования для 3 мкм и оставить скорость сканирования на 3,92 Гц. оптимизировать изображение, при необходимости, путем изменения параметров: диск амплитуды, амплитуда уставки, неотъемлемой и пропорциональные выгоды. Захват нужное изображение, нажав на кнопку кадр вниз, затем кнопку захват. После сканирования нажмите кнопку «снять». Дважды нажмите на нужное изображение, чтобы открыть его в программное обеспечение для анализа. Чтобы определить морфологию, нажмите кнопку «выпрямление» и затем нажмите кнопку выполнить. Извлечение статистические параметры, нажав кнопку шероховатости для расчета шероховатости поверхности и нажмите кнопку анализ частиц рассчитать глубину гистограммы и средний размер зерна. Перейдите в меню и нажмите кнопку Загрузить положение образца. Выключите пылесос и выгрузить образца.Примечание: Для последовательности от образца к образцу, сохраняйте те же параметры сканирования АСМ. Определите, оптическое пропускание и отражение. Использовать источник перестраиваемый Оптический и измерения оптического пропускания и отражения (или почти) нормального падения в регионе ближней ИК-области спектра. Калибровка системы без образца с золото зеркало для около 100% отражения и пропускания 100%. Загрузите образец2 VO на сцену с регулируемой температурой. Стабилизируйте образца на требуемую температуру. Измерить коэффициент пропускания и отражения желаемого спектральном диапазоне, например, во всем регионе ближнего инфракрасного.Примечание: Для получения оптимальных результатов, температура должна быть разнообразны по крайней мере 20 ° C выше и ниже температуры стеклования VO2 (как правило, 68 ° C). 4. Моделирование оптических константами (проницаемость и преломления) Модели комплексной диэлектрической проницаемости, ε, как функция энергии фотона, E, используя следующее уравнение (где ε∞ — диэлектрическая проницаемость высокой частоты, после чего сумма n осцилляторов где n является амплитуда осциллятор, En генератор энергии и Bn затухание осциллятор):Примечание: Matlab пользовательские программы анализируются и смоделированные данные. Введите известные параметры для сапфира в шаг 4.1 и использовать их для вычисления диэлектрической проницаемости как функция оптической длины волны. Затем рассчитать Индекс преломления (n = √ε), и с помощью преломления, рассчитать коэффициент отражения и пропускания субстрата. Сравните результаты шага 4.2 с данными измерений, а затем использовать метод оптимизации (например Нелдера Mead15) для обновления входные параметры шага 4.2 для того, чтобы уменьшить ошибки между измеренные и рассчитанные результаты, тем самым Оптимизация параметров для сапфира. Оценки параметров для VO2 в уравнении в шаг 4.1 и использовать их для вычисления диэлектрической проницаемости. Затем рассчитать Индекс преломления (n = √ε) и использовать это, наряду с VO2 толщина, толщина подложки, преломления (из шага 4.3), оптической длины волны, оптической поляризации и угол падения как входные данные для передачи16 – получение, отражения и пропускания VO2 покрытием субстрата. Использовать технологию оптимизации (например Нелдера Mead15) для обновления VO2 входных параметров и уменьшить ошибки между измеренные и рассчитанные результаты, тем самым оптимизировать параметры для VO2. Выполните шаги 4.2 до 4,4 на нескольких температур, охватывающих изоляционных и металлический государства диоксид ванадия (температура от 30 до 90 ° C). Модель в зависимость от температуры преломления VO2 следующим образом:где εVO2(T) является преломления VO2 как функция температуры, εмодули и εметалла диэлектрической изоляции и металлические фазы, и f(T) является функцией температур зависимая, регулирующих распределение изоляционных и металлический оптические свойства. Используйте функцию Ферми-Дирака как для f(T) регулирующих переход между изоляционных и металлический государства, похож на эффективных средних приближений17,18,19, предоставленные:где Tt — температура перехода и W управляет шириной перехода. Использовать метод оптимизации для обновления параметров (W и Tt) в уравнение для f(T) уменьшить ошибки между измеренные и рассчитанные результаты, тем самым оптимизируя температуры стеклования и ширину. Это приводит к температуры и длины волны зависит от модели для диэлектрической проницаемости и преломления VO2.

Representative Results

Для определения качества ALD выросли оксида ванадия, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) была проведена как на хранение, главным образом аморфные VO2 фильмов (Рисунок 1), а также отожженная кристаллический VO2 фильмы (не показан). Дифракция рентгеновских лучей (XRD) была проведена отожженная VO2 фильмов (Рисунок 2). Кроме того чтобы помочь количественную оценку вертикальный профиль химии в фильме, глубина профилирования была выполнена с источником ионов кластера для сведения к минимуму преференциального травления видов катиона/анион. Два представителя следы показано на Рисунок 1, на поверхности и в объеме. Глубина профиля и последующие XPS измерений показывают, что топ 1-Нм как хранение фильма не VO2 из-за избытка окружающей среды (случайного) кислорода и углерода, но после того, как более контролируемых отжига процедуры низкого давления кислорода в даже поверхность стабилизирует VO2. Дифракция рентгеновских лучей измерения проводились с источником энергии рентгеновского Cu K-альфа и шоу, Рисунок 2, единый VO2 пика в 39.9˚. Подпись этого пик проверяет качество ALD-выросли VO2 , так что (020) кристалл ориентации выравнивает с сапфира пик. Чтобы проанализировать кристалличности, фазы и деформации, Рамановская спектроскопия проводилось с использованием 532 нм лазер для возбуждения. Рисунок 3 показывает спектр Раман VO2 фильма и показывает узкие пики, которые показывают высокие кристаллического качества. Кроме того увеличение энергии в режиме 612 см-1 и ванадий ванадиевой низкочастотные фононы (193 и 222 см-1), а также снижение энергии в режиме 389 см-1 , предложить относительное удлинение в этих фильмах12, 13. Морфология наблюдалось атомно-силовой микроскопии (АСМ). Рисунок 4 показывает кристалл размером зерна порядка 20-40 Нм и корень значит квадрат (RMS) шероховатости 1.4 Нм для фильмов, как на хранение (рис. 4A) и RMS шероховатости 2.6 Нм для фильмов, отожженная (рис. 4В). Оптическое пропускание и отражение данные были получены с помощью источника белого света с сканирующий монохроматор и фотодетектор, который обеспечил освещение в видимом и около инфракрасного региона. На рисунке 5 показана зависимость температуры фильма как она переходит от изолятор до металла, демонстрируя температура перехода 61 ° c. Анализ экспериментальных данных позволяет моделирование температуры и длины волны зависит от диэлектрической проницаемости VO2 , как он переходит из изолятора металла. Рисунок 5 показывает, как модель точно предсказывает оптических поведение при использовании параметров в таблице 1. Рисунок 1: Представитель XPS измерения 35-Нм толщиной VO2 c-Al2O3. XPS показывает, что основная часть фильма VO2 а поверхности, которая содержит C и O загрязняет, является более сместился в сторону V2O5. Стехиометрия предлагает VO2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2: XRD измерения 35-Нм толщиной VO2 c-Al2O3. Это XRD измерение показывает один пик2 VO на 39.9˚, который самостоятельно проверяет качество хрусталя и демонстрирует моноклинная (020) ориентации совмещена с основной пик сапфира. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3: спектры комбинационного VO2 c-Al2O3. Этот Раман спектр имеет узкие пики, указывающее высокие кристаллического качества и показывает незначительное относительное удлинение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4: Морфология VO2 c-Al2O3. АСМ изображения показывают однородным, непрерывным фильмы с размерами зерен порядка 20-40 Нм и RMS неровности (A) 1.4 Нм для кино, как выращивается и (B) 2.6 Нм для отожженная фильма. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 5: Ближней ИК-области оптическое пропускание и отражение 35-Нм толщиной VO2 c-Al2O3. Поведение температур зависимая оптическое пропускание и отражение фильма диоксид ванадия являются шоу на 40, 60, 70 и 90 ° C. Кружков в заговоре являются измеренные пропускания, отражения и расчетный коэффициент поглощения VO2 сапфира структуры при различных температурах, а сплошные линии прогнозируемые значения из двумерного температуры – и Длина волны зависимых модель VO2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Ε∞ OSC. 1 OSC. 2 Изолятор 3.4 En 3.8 1.2 N 33 2.1 Bn 1.4 1.3 Металл 4.5 En 3.2 0.6 N 13 5.3 Bn 1.1 1 Таблица 1: параметры представитель модели для VO 2 . Эти параметры представляют те, которые используются в модели осциллятора для оценки диэлектрической проницаемости VO2 металлических и изоляционные этапах.

Discussion

Описанные здесь методы роста обеспечить воспроизводимость результатов в отношении единообразия, химия, структура и морфология. Ванадий прекурсоров имеет решающее значение для производства правильный стехиометрии как хранение ALD фильмов. Этот частности прекурсорами способствует валентном состоянии + 4 ванадия, в отличие от многих других перечисленных в литературе, которые способствуют более распространенным + 5 валентном состоянии. Кроме того этот частности прекурсорами имеет довольно низким давлением пара и требует Отопление для обеспечения достаточной дозы для насыщения на условиях, учитывая. Поскольку этот прекурсоров начинает деградировать примерно 175 ° C, это устанавливает верхний температурный предел как Отопление прекурсоров и ограниченный рост. Другим важным аспектом для достижения правильной стехиометрии является концентрация озона (здесь ~ 125 мг/Л) во время дозирования. Часто концентрация озона, производимый генератором при определенных условиях унижает или бородки с течением времени. Если это произойдет, пульс озона и длительность продувки придется скорректировать для поддержания стехиометрии, морфология и вафельные единообразия. То, что описано здесь является как вырастить ALD VO2 на c плоскость сапфирового субстратов, который включает в себя in situ озона предварительной обработки. Шаги до роста для очистки и кристаллизации зависят от субстрата; Однако, процесс описанный здесь работает для большинства подложек (инертный, оксиды металлов, и т.д.) Для определения лучших прекращение очистки и подготовки для VO2 роста, одно должно рассматривать реактивности между прекращением видов и ванадия прекурсоров при сведении к минимуму любого собственного оксида на подложке. Наконец этот процесс продемонстрировал на высокой пропорции субстратов (до ~ 100), но для экстремальных случаях, следует учитывать воздействие или статический метод ALD Конформность дальнейшего повышения.

Способность достичь высокого качества, кристаллический ALD VO2 фильмы весьма зависит от параметров отжига после осаждения. Наиболее важным аспектом является давление, специально парциальное давление кислорода. Высокая кислорода давление приведет к огранки и зерно роста, в конечном итоге причиной формирования нанопроволоки, а также результаты в фазе5 2O V. Если давление кислорода слишком мала, кислород отожженная из фильмов, что приводит к V2O3 этапа. Таким образом чтобы поддерживать правильный фазы и свести к минимуму фильм шероховатости, давление кислорода следует сохранить в диапазоне от 1 x 10-4 до 7 x 10-4 ПА. Аналогично температуры имеет решающее значение для обоих возможность выкристаллизовывать фильм, поддерживать стехиометрии и свести к минимуму Шершавленье фильма. Хотя температура VO2 фильма трудно измерить, эмпирические данные показывают, что кристаллизации требует стадии температура больше чем 500 ° C. При более высоких температурах это труднее поддерживать правильный стехиометрии и фазы и производить обскуры бесплатные фильмы. Также существует компромисс между температурой и обжигают обжигают время можно сократить время, специально более высоких температур. Кроме того продолжительность обжигают непосредственно связана толщина пленки. Толще фильмы требуют времени для достижения максимальной кристаллизации. Таким образом, давление кислорода, отжига температура и отжига время описано в выше методов были оптимизированы для получения высокого качества VO2 фильмы, которые демонстрируют крупнейших изменения оптических свойств при температуре почти идеальный переход. Наконец, отжиг ramping и скорость охлаждения во время кислорода имеют влияние на шероховатость и морфологии; чем медленнее это, плавное фильмов.

ALD осаждения и последующего отжига VO2 производит ориентированных поликристаллических пленок с большой площади единообразия. ALD предлагает конформно выросли фильмов на трехмерной наноразмерных морфологии практически любого субстрата. Это позволяет VO2 интеграция новых приложений и особенно хорошо подходит для оптических устройств.

После роста и оптических измерений, создается модель, которая обеспечивает хорошо подходят для данных для обоих пропускания и отражения VO2 в металлических и изоляционные фаз в регионе ближнего инфракрасного спектрального (R2 = 0,96-0,99). Отражения инфракрасный изолирующие фазы является наиболее сложным процессом в создании этой модели. Были добавлены дополнительные осциллятор термины, но это увеличение сложности модели, лишь незначительно улучшить fit в этом регионе. Следует отметить, что в этой модели, суперпозиция Лоренца осцилляторов является общей оптические модели и не обязательно соответствуют конкретным электронных переходов. Изначально, модели включали Друде срок, однако, после математической оптимизации, Друде, термин был по существу ликвидированы. По этой причине были рассмотрены некоторые методы минимизации. Однако эти различные методы сходились на подобные решения, которые не связаны с Друде срок. Отсутствие срока Друде в ALD VO2 может быть из-за ряда факторов, например 1) легированных полупроводник как сопротивление, или 2) плазмы сдвиг частоты для снижения энергии и/или большие столкновения скорость (демпфирования термин), по согласованию с металлических свойства этих фильмов.

В изоляционных фазе, T < 60 ° C, диэлектрической проницаемости и преломления ALD VO2 хорошо согласуются с другими методами изготовление (распыленных в4,,2021 и импульсного лазерного осаждения22 23). В состоянии металлический, T > 70 ° C, эти фильмы ALD проявляют меньше ущерба, чем VO2 , изготовленных другими методами. Важно отметить, что, хотя различные изготовления методы производят несколько различных значений диэлектрической проницаемости и преломления VO2, все фильмы показывают аналогичные тенденции.

Модель в этом документе температуры и длины волны зависимость оптической диэлектрическая проницаемость и преломления соглашается также с экспериментально измеренные данные. Эта модель способность производить хорошее качество, подходит для измеряемых оптических данных свидетельствует о его можно надежно предсказать оптические свойства VO2 этапа изменения с изолятором для металла. С помощью этих моделей, оптические свойства VO2 предсказуемо настраивается температура, толщины и длины волны для разработки оптических систем, которые обеспечивают достижение целей статические и динамические. Эти модели позволяют проектирования и разработки оптических систем с использованием VO2 в пассивных и активных систем путем изменения толщины пленки также, как и температура.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана основных программ в научно-исследовательской лаборатории ВМС США.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Yang, Z., Ko, C., Ramanathan, S. Oxide Electronics Utilizing Ultrafast Metal-Insulator Transitions. Annu. Rev. Mater. Res. 41 (1), 337-367 (2011).
  3. Tan, X., et al. Unraveling Metal-insulator Transition Mechanism of VO2 Triggered by Tungsten Doping. Sci. Rep. 2, 466 (2012).
  4. 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).
  5. Kiria, P., Hyett, G., Binions, R. Solid State Thermochromic Materials. Adv. Mater. Lett. 1 (2), 86-105 (2010).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Rampelberg, G. . Thin film synthesis of VO2 and VN by gas-solid reactions and atomic layer deposition. , (2016).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Moulder, J. F. . Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy: A Reference Book of Standard Spectra for Identification and Interpretation of XPS Data. , (1992).
  15. Nelder, J. A., Mead, R. A Simplex Method for Function Minimization. Comput. J. 7 (4), 308-313 (1965).
  16. Born, M., Wolf, E. . Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. , (1999).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Tazawa, M., Jin, P., Tanemura, S. Optical constants of V1-xWxO2 films. Appl. Opt. 37 (10), 1858-1861 (1998).
  21. . Micro- and Nano-scale Optoelectronic Devices Using Vanadium Dioxide Available from: https://tspace.library.utoronto.ca/handle/1807/68313 (2014)
  22. 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).
  23. Dicken, M. J., et al. Frequency tunable near-infrared metamaterials based on VO2 phase transition. Opt. Express. 17 (20), 18330 (2009).

Tags

Atomic Layer DepositionVanadium DioxideTemperature-dependent Optical ModelPhase Change MaterialsThin Film DepositionSapphire SubstrateOzoneTEMAVMetal-insulator TransitionRefractive IndexAnnealingUltra-high Vacuum

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Currie, M., Mastro, M. A., Wheeler, V. D. Atomic Layer Deposition of Vanadium Dioxide and a Temperature-dependent Optical Model. J. Vis. Exp. (135), e57103, doi:10.3791/57103 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image