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

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

Atom katman birikimi Vanadyum dioksit ve sıcaklık-bağımlı optik manken

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

Summary

Vanadyum dioksit (VO2) ince filmler (100-1000 Å) Safir yüzeyler üzerinde atom katman ifade (ALD) tarafından oluşturuldu. Bunu, VO2metal-yalıtkan geçiş optik özellikleri ile karakterize. Ölçülen optik özellikleri, VO2tunable kırılma indisini tanımlamak için bir modeli oluşturuldu.

Abstract

Vanadyum dioksit 68 ° C. değiştirmek tersinir bir metal-yalıtkan aşaması bir malzemedir Geniş yüzeylerde, çeşitli VO2 gofret ölçekli homojenlik ve kalınlıkta angstrom seviye kontrolü ile büyümeye, atom katman yükünün yöntemi seçilmiştir. Bu ALD işlemi yüksek kaliteli, düşük sıcaklık (≤150 ° C) büyüme VO2ultrathin filmlerin (100-1000 Å) sağlar. Bu gösteri için VO2 filmleri Safir yüzeylerde yetiştirilmiştir. Bu düşük sıcaklık büyüme teknik çoğunlukla amorf VO2 filmler üretir. Bir sonraki tavlama 7 x 10-4 baskısı ile bir ultra yüksek vakum odasında odaklı, Pa polikristalin VO2 filmleri Ultra yüksek saflıkta (% 99.999) oksijen üretti. Crystallinity, faz ve VO2 suşu Raman spektroskopisi ve x-ışını kırınım, tarafından stoichiometry ve kirlilik seviyeleri x-ışını photoelectron spektroskopisi tarafından tespit edildi ve sonunda morfolojisi tarafından tespit edildi belirlendi Atomik kuvvet mikroskobu. Bu veriler yüksek kaliteli filmlerin bu tekniği ile yetiştirilen göstermektedir. Bir model veri VO2 için onun metalik ve yalıtım aşamalarında yakın kızılötesi spektral bölgede uygun için oluşturuldu. Geçirgenlik ve kırılma indisi ALD VO2 de diğer üretim yöntemleri ile yalıtım aşamasında kabul etti ama metalik durumuna bir farklılık göstermiştir. Son olarak, filmlerin optik özellikleri analiz VO2 tunable kırılma indisi malzemesi olarak geliştirmek için karmaşık optik kırılma indisi dalga boyu ve sıcaklık bağımlı modelinin oluşturulmasını etkinleştirmiştir.

Introduction

Vanadyum dioksit 68 ° C. yakınındaki bir kristal faz geçiş geçer Bu monoclinic bir yapısal kristal değişim için tetragonal üretir. Bu geçiş kökeni tartışmalı ancak son araştırma bu geçiş2,3,4 üretmek süreçleri bir anlayış geliştirmek Yardım1, kalır. Kökeni ne olursa olsun, faz geçiş VO2 (ışık iletim yapar) bir yalıtkan optik özelliklerini oda sıcaklığında (yansıtan ve ışık emici) bir daha metalik malzeme yukarıdaki geçiş sıcaklığı2 değiştirir .

VO2 geçmişte imal için kullanılan çeşitli Yöntemler (Fışkırtması, fiziksel buhar biriktirme, kimyasal buhar biriktirme, moleküler demet epitaxy, çözüm, vs.) 5. VO2 özellikleri büyük ölçüde önemli değişkenlik farklı büyüme teknikleri arasında ve sonraki üretilen6, tavlama filmleri imal için kullanılan ve değişen crystallinity ve film teknolojisi bağlıdır özellikleri. Bu eser filmleri yetiştirilen yatırılır atom katman (ALD) optik özelliklerini inceler, ancak, yaklaşım VO2 filmler her türlü modelleme için geçerlidir.

Son zamanlarda, gruplar VO2 optik yüzeyler üzerine ince filmler dahil ederek optik aygıtlar yapılandırırlar. Bir hızla büyüyen yeni biriktirme yöntemi olarak ALD bu optik cihazların imalatı size yardımcı olabilir ve geniş alanlara tekdüzelik, angstrom düzey kalınlığı kontrol ve Açıkorur film kapsama7 gibi alternatif teknikleri üzerinde çeşitli avantajları vardır ,8,9. ALD kendini sınırlayan bir katman katman ifade yaklaşım, çok çeşitli yüzey malzemeleri imalat gerektiren uygulamalar için tercih edilen tekniktir (Örn., türdeş olmayan tümleştirme için), veya 3D Açıkorur kaplama yapılar10 . Son olarak, 3D yapılar ALD sürecinin Açıkorur kaplama optik uygulamalarda özellikle yararlıdır.

ALD filmler üzerinde çift yan-cilalı, yetiştirilmiştir bu kağıt, ultrathin, amorf olarak deneyler için c-uçak Safir yüzeylerde, sıcaklıklar düşük ve yüksek kaliteli kristal filmler üretmek için bir oksijen ortamda komplementer. Deneysel ölçümler kullanılarak, bir model sıcaklık ve dalga boyu bağımlı optik değişiklikler bir akort kırılma indisi malzeme11olarak kullanılmasını etkinleştirmek için VO2 için oluşturulur.

Protocol

Dikkat: tüm ilgili malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) kullanmadan önce danışın ve tüm uygun güvenlik uygulamaları ve yordamları izleyin. Atom katman ifade büyüme Vanadyum dioksit ALD reaktör kullanır. ALD büyümesi için kullanılan kara filmin tarih öncesi tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) ve Ozon (Ultra yüksek saflıkta, UHP, % 99.999 oksijen gazı 0.3 slm akışı ve 5 psi basınç yedekleme oluşturulan) ‘ dir. Buna ek olarak, UHP (% 99.999) azot gazı reaktör odası tasfiye için kullanılır. Sonraki vakum için TAV, UHP oksijen gazı tavlama ve UHP azot sırasında havalandırma için kullanılır. TEMAV yanıcı ve yalnızca uygun mühendislik denetimleriyle kullanılmalıdır. Sıkıştırılmış oksijen gazı bir tehlikedir ve yalnızca uygun mühendislik denetimleriyle kullanılmalıdır. Sıkıştırılmış azot gazı bir tehlikedir ve yalnızca uygun mühendislik denetimleriyle kullanılmalıdır. Tüm gazlar (TEMAV, oksijen, ozon ve azot) uygun mühendislik güvenlik denetimleri kullanarak ALD reaktör bağlanır. Ondan beri onun’temiz ve daha güvenilir daha sonra plastik boru paslanmaz çelik boru ALD reaktöre, ozon jeneratörü bağlanır. Ayrı UHP oksijen ve azot kaynakları yordama başlamadan önce uygun mühendislik güvenlik denetimleri kullanarak odası tavlama vakum bağlanır. Aseton ve 2-propanol tahriş edici ve yalnızca uygun kişisel koruyucu ekipman ve güvenlik prosedürleri ile (Örneğin, eldiven, duman hood, vb) kullanılmalıdır 1. atom katman birikimi Vanadyum dioksit Safir yüzeyler üzerinde Aşağıdaki gibi bir c-Al2O3 (Safir) substrat temiz: Solvent aseton sonicator 5 min için 40 ° C’de substrat temiz sonra doğrudan (durulama) 2-propanol 40 ° C’de aktarmak ve 5 dk. durulama deiyonize suyla çalışan substrat için solüsyon içeren temizleyicide 2 min için su ve azot gazı ile kuru. ALD reaktör odası 150 ° C’de olduğundan emin olun ve azot gazı ile ALD reaktör delik. Yük temizlenmiş Safir substrat reaktöre, reaktör kapatın ve için pompa < 17 Pa vakum. Örnek 150 ° C. ulaştığından emin olmak için beklemek en az 300 s Akan tarafından ALD odası hazırlamak 20 sccm UHP azot odasına (temel baskı-meli değil aşmak 36 Pa), ve sonra bir döngü bir 15 s temizliği tarafından takip 0,05-s nabzı nerede 15 doymuş döngüsü ozon darbe. Vanadyum dioksit büyümeye, TEMAV 0,03 için nabız 30 s temizle, sonra 0.075 için nabız ozon tarafından takip s s 30 s tasfiye tarafından takip. Bu darbe yineleyin ve istenilen büyüme ulaşılana kadar döngüsü tasfiye.Not: Bu işlem yaklaşık 0,7-0,9 büyüme oranı ile doğrusal Å döngüsü başına. Örnek ilk ALD reaktör odası UHP azot gazı ile havalandırma tarafından ALD reaktör kaldırın. Örnek oda sıcaklığına kadar soğutmak için metal bir plaka (ısı emici) yerleştirin. ALD reaktörü kapatın ve için pompa < 17 Pa vakum. Örnek şimdi Safir substrat bir amorf Vanadyum oksit film içerir.Dikkat: örnek 150 ° C’ye ısıtılır beri örnek dikkatle, kaldırmak 2. tavlama Not: 1. adımda ALD tekniği ile yetiştirilen VO2 filmleri amorf VO2üretmek. Odaklı polikristalin VO2 filmleri oluşturmak için örnekleri özel bir ultra yüksek vakum odası altı-yol çapraz tavlama komplementer. Tavlama odası temiz tutmak için bir yük kilit takın ve örnekleri kaldırmak için oluşturulur. 3″ çapı oksijen dayanıklı ısıtıcı bir özel platin tel ısıtıcı oluşur. Bu ısıtıcı örnekleri monte edilir bir oksitlenmiş Inconel kızak ışınımsal ısıtma sağlar. Kızak ısıtıcı iyi ısı transferi örnekleri için yüksek emissivite vardır. Kızağı yük kilidinin içinde olduğundan emin olun o zaman yük kilit UHP azot gazı ile delik ve yük kilidi açmak. Örnek yük kilidi ve yakın yük kilit odası kızak üzerinde bir yer. ~0.1 Pa için yük kilit pompa dağınık olması sizin pompa kullanarak. Ardından, turbo pompa ve pompa yük kilit-e doğru geçmek < 10-4 baba. kapı valfi açın ve kızağı tavlama odasına transfer ve tavlama Pompa Oda için < 10-5 baba. Akış 1.5 sccm Ultra yüksek saflıkta (UHP, % 99.999) oksijen tavlama odasına.Not: oksijen bir düşük akış hızı sağlamak için 5 sccm kütle akış denetleyicisi üzerinden çalıştırın. Basınç 1 x 10-4 ile 7 x 10-4 PA arasında olmalıdır Örnek 150 ° C. ulaşmadan önce Bu basınç sağlanmalıdır Kızak ısı 560 ° c (ölçü Pirometre ve ısıl ile) bir Isıtma kullanarak rampa oranı ~ 20 ° C/dak Hold (300 film Å için) 2 h 560 ° C’de kızak.Not: Kalınlığı bağımlı tavlama tam zamanı. Ampirik veri öneriyor 1 s örnekleri 250 Å ama tavlama 500 Å kalın. Kalorifer torna ve kızak (doğru yük kilidi) ısıtıcı derlemesinden kaldırarak örnek gidermek. Numune sıcaklığı daha az 150 ° C (Örneğin, kullanım Pirometre numune sıcaklığı ölçmek için yük kilit) hale gelinceye kadar örnek oksijen bir yerde saklayın.Not: Daha iyi örnekleri yanında daha düşük sıcaklıklarda kadar servis sağlanmaktadır. Bir kez örnek < 150 ° C, oksijen akışını açmak ve kapı Vanayı kapat. UHP (dergi) azot gazı ile tahliye. Örneği’Kaldır < 50 ° C ve yer örnek üzerinde metal plaka (Oda sıcaklığında soğumaya soğutucu). Kapatın yük kilit boş kızak ve 0,1 için pompa ile dağınık olması sizin pompa kullanarak Pa. Geçiş turbo pompa ve pompa yük kilit için < 10-4 baba. 3. karakterizasyonu Raman spektroskopisi ile 532 nm lazer uyarma kaynak kullanarak örnek inceleyin. Örnek mikroskop yük ve odak haline getirmek. Kamera görüntü yazılımı örnek odak doğrulayın. Lazer güç tarama 4’e ayarlayın mW, pozlama süresi için 0.125 s, in sayısı tarar 10 ve önizleme boyutu 40 µm için. Spektrum Raman spektrumu gözlemlemek için Live’ı tıklatın. Odak, lazer gücü, çekim hızı ve taramaları sayısı sinyal gürültü oranı en üst düzeye çıkarmak için en iyi duruma getirme. Spektrum verileri kaydetmek için tıklatın.OMNIC açık spektrumunda. Tepeler tanımlamak için “Bul Pks” düğmesini tıklatın. Crystallinity, faz (VO2 vs VO, V2O3, V2O5, vb.) ve zorlanma veri vanadyum oksitler12,13başvurmak için karşılaştırma doruklarına tarafından belirler.Not: Dar doruklarına kaliteli kristal göstermek, Raman Fonon modları 193, 222 ve 612 cm-1 in sağlamlaştırma ve/veya yumuşatma 389 cm-1 modunda iken VO2 kristal çekme yük göstergeleri vardır. Yönlendirme, crystallinity ve aşama x-ışını kırınım (XRD) belirlemek.Not: Kristal yapı, özellikle kristal yapısı ve yönlendirmesini doğası XRD spectra Peaks’e görünümünü gösterir. XRD veri tepe 2Θ açı VO2farklı uçaklar için inorganik kristal yapısı veritabanı (ICSD) kartları eşleştirerek VO2 yönünü belirler. Aşama veri doruklarına kartları farklı Vanadyum oksit aşamalarının eşleştirerek belirlemek. Bu çalışmada standart veritabanı için deneysel zirvesinin el ile karşılaştırma gerçekleştirildi. Bir tek VO2 pik 39.9 derece VO2 kristal kalite doğrular ve monoclinic (020) yönünü gösterir. X-ışını photoelectron spektroskopisi (XPS) tarafından stoichiometry ve kirlilik düzeylerini belirlemek Örnek örnek tutucu üzerine yükleyin. Açık bilgisayar yazılımı ve havalandırma yük kilitle’yi tıklatın. Örnek sahibi yük kilit yerleştirin ve pompa aşağı’yı tıklatın. Basınç kadar bekleyin < 4 x 10-5 PA örnek sahibi odanın içine taşımak için transfer düğmesini tıklatın. Odası basıncı olduğundan < 7 x 10-6 baba. Ölçüm parametreleri deney ağaç girdi. 400 µm nokta boyutu ile x-ışını topundan ve sel topundan açın. Anket ölçüm için bir nokta ekleyin ve sonra yüksek çözünürlüklü taramaları öncü öğelerinin (C ve N) için puan (V ve O) yanı sıra film öğeleri ekleyin. Her ölçüm için pass enerji (anket için 200 eV ve yüksek çözünürlüklü taramaları için 20 eV) ve numarasını inceden inceye gözden geçirmek (2 veya daha fazla anket ve yüksek çözünürlük için 15 için) ekleyin. İnce artı nokta ölçüm için örnek istediğiniz konuma yerleştirin. ‘ I tıklatın ve deneme ağacı başlığı vurgulayın ve sonra deneysel tüm ölçüm taramaları yürütmek için “Çalıştır” menü çubuğunda’i tıklatın. Tanımlamak ve film öğeleri çözümlemek için anket kimliği yordamını yürütün. Elle tepe tepe uygun düğmeleri tarafından takip bağ yüksek çözünürlüklü veri taramaları analiz Ekle seçin. Stoichiometry entegre en yüksek yoğunluklarda XPS el kitabı14göre oranını alarak belirler. Ne zaman tamamlanmak, kapatma silahları, sonra taşımak için transfer düğmesini tıklatın Yük kilit örnek yuvasına. Örnek yük kilidi, havalandırma yük kilitle’yi tıklatın ve örnek kaldırma.Not: Bu anket, böylece yabancı maddelerin belirlenmesi tüm elemanların varlığı tanımlar. XPS doruklarına belirli bağlama enerjileri, vanadyum oksitler valences Şekil 1’ de gösterildiği gibi göstermek. Örneğin, iki temsilcisi XPS ölçüm olarak yatırılır örnek aşındırma bir küme iyon silahla profil oluşturma derinlik elde edilen bu sonuçlar gösterir. XPS ölçüm yüzeyi bir tepe (filmin toplu) olarak kazınmış örnek XPS ölçümü bir tepe ~ 516 eV VO2varlığını gösteren gösterirken V2O5, varlığını gösteren ~ 518 eV gösterir. Tam-genişlik-,-yarım-max Vanadyum (diğer bir deyişle, faz saflık) filmlerinde bağ tekdüzelik gösterir. Buna ek olarak, diğer enerji doruklarına etkinleştirir tanımlaması analizini kirlenmektedir (> % 1). Morfoloji atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanarak belirleyin Bilgisayar ve AFM elektronik açınız. Nanoscope programını başlatmak ve dokunarak modunu seçin, sonra deney seçin yükleyin. Sahne alanı başlatılamıyor. Deneysel sipariş ekranın sol tarafında izleyin ve Kurulum menüsünde’ı tıklatın. Odak odak optik denetimlere konsol üzerinde kullanın. Sonda üzerinde lazer lazer konumunu en iyi duruma getirme tıklatarak hizalayın. Autoalign dedektörü düğmesini tıklatıp Autotune prensibine göre’yi tıklatın. Yük örnek ve vakum açmak. Kayıt Bul düğmesini tıklatıp izleme topu başının altına örnek eklemenizi sağlar. İpucu yansıma tıklatın ve kadar ucu odakta odak düğmesini tutarken izleme topu, kullanarak örnek yüzey kafasına indir. Örnek düğmesini tıklatın ve AFM hood kapatın. Onay parametresi menüsünü tıklatın. Tarama boyutu olduğundan emin olun < 1 µm ve 512 örnekler/satır kümesi. Meşgul menü düğmesini tıklatın. Bekle 20 s. 3 µm ve inceden inceye gözden geçirmek hız 3,92 Hz., bırakın görüntüsünün, gerekirse, parametreleri değiştirerek en iyi duruma getirmek için tarama boyutu ayarlama: sürücü genlik, genlik ayar noktası, integral ve orantılı kazançlar. İstenen görüntü yakalama düğmesi tarafından takip çerçeve aşağı düğmesini tıklatarak yakalamak. Tarama geri düğmesini tıklatın. İstenen görüntü analiz yazılımı içinde açmak için çift tıklatın. Morfoloji belirlemek için Flatten düğmesini tıklatın ve sonra tıklatın yürütmek. İstatistiksel parametreleri pürüzlülük yüzey pürüzlülüğü hesaplamak ve parçacık derinliğini histogramı hesaplamak ve tane boyutu demek için çözümlemesi’ni tıklatarak ayıklayın. Gidin menüsünü tıklayın ve örnek yükleme konumu tıklatın. Vakum açmak ve örnek kaldırma.Not: örnek için örnek üzerinden tutarlılık için aynı AFM tarama parametreleri tutun. Optik geçirgenliği ve yansıma belirler. Ayarlanabilir bir optik kaynak kullanın ve optik geçirgenliği ve yansıma (veya yakınındaki) yakın kızılötesi bölgesi normal insidansı ölçün. Örnek için % 100 geçirgenliği ve % 100 yansıma yakınındaki için altın bir yansıtmayla olmadan sistemi kalibre. Sıcaklık kontrollü sahne alanı’na yük VO2 örnek. Örnek istenilen sıcaklıkta stabilize. Geçirgenliği ve yansıma istenen spektral Aralık boyunca, örneğin, yakın kızılötesi bölgesi ölçmek.Not: en iyi sonuçlar için sıcaklık olmalıdır en az 20 ° C üstünde ve altında VO2 (genellikle, 68 ° C) geçiş sıcaklığını çeşitli. 4. optik sabitleri (sabit ve kırılma indisi) modelleme Karmaşık dielektrik geçirgenlik, ε, foton enerji, E, aşağıdaki denklemi kullanarak bir fonksiyonu olarak model ( ε∞ n osilatörler toplamı tarafından takip yüksek frekans geçirgenlik nerede nerede n osilatör genlik, En osilatör enerji ve Bn osilatör sönümleme değil):Not: Özel Matlab programların analiz ve veri modellenmiş. 4.1. adımda Safir substrat için bilinen parametreleri girin ve bunlar dielektrik geçirgenlik optik dalga boyu bir fonksiyonu olarak hesaplamak için kullanın. Kırılma indeksi hesaplamak (n = √ε), ve kırılma indisi kullanarak hesaplama yansıma ve substrat geçirgenliği. Adım 4.2 ölçülen verileriyle karşılaştırılması ve sonra hata ölçülen ve hesaplanan sonuçları arasında böylece azaltmak için adım 4.2 giriş parametrelerini güncelleştirmek için (örneğin, Nelder Mead15) bir optimizasyon tekniği kullanırım Safir substrat parametrelerini optimize. VO2 adım 4.1 denklemde’parametrelerini tahmin etmek ve bunlar dielektrik geçirgenlik hesaplamak için kullanın. Kırılma indeksi hesaplamak (n = √ε) ve bu, girişleri için transfer16 VO2 kalınlığı, yüzey kalınlığı, kırılma indisi (Kimden adım 4,3), optik dalga boyu, optik polarizasyon ve açı of insidans ile birlikte kullanın yansıma ve geçirgenliği VO2 kaplı yüzey elde edilir. VO2 giriş parametrelerini güncelleştirmek ve böylece parametreleri VO2için en iyi duruma getirme ölçülen ve hesaplanan sonuçları arasında hata azaltmak için (örneğin, Nelder Mead15) bir optimizasyon tekniği kullanırım. 4.2-4.4 Vanadyum dioksit (30-90 ° C sıcaklıklara) yalıtım ve metalik Devletleri kapsayan çeşitli sıcaklıklarda adımları gerçekleştirin. Kırılma indisi VO2 sıcaklık bağımlılığının aşağıdaki gibi model:nerede εVO2(T) sıcaklık, fonksiyonudur: kırılma indisi VO2 εins ve εmetal ısı yalıtım ve metalik aşamaları ve f(T) dielektrik geçirgenlik yalıtım ve metalik optik özellikleri dağıtımını yöneten bir sıcaklık bağlı işlev. Yalıtım ve metalik devlet tarafından verilen etkili-orta yaklaşımları17,18,19, benzer arasında geçiş yönetmek için f(T) için Fermi-Dirac-gibi işlevini kullanın:Tt geçiş sıcaklığı nerede ve W geçiş genişliğini denetler. Böylece geçiş sıcaklığı ve genişliğini en iyi duruma getirme ölçülen ve hesaplanan sonuçları arasında hata azaltmak f(T) denklemi parametrelerinde (W ve Tt) güncelleştirmek için bir optimizasyon tekniği kullanırım. Dielektrik geçirgenlik ve kırılma indisi VO2için sıcaklık ve dalga boyu bağımlı modeli sonuçlanır.

Representative Results

Vanadyum oksit yetiştirilen ALD kalitesini tanımlamak için x-ışını photoelectron spektroskopisi (XPS) olarak yatırılır, öncelikle amorf VO2 Filmler (Şekil 1) gerçekleştirilen yanı sıra komplementer kristalimsi VO2 filmleri (gösterilmez). X-ışını kırınım (XRD) tavlanmış VO2 filmleri (Şekil 2) üzerinde gerçekleştirildi. Ayrıca, filmin içinde Kimya dikey profil ölçmek amacıyla, derinlik profil oluşturma Tercihli gravür ba * / anyon türlerin en aza indirmek için bir küme İyon kaynağı ile gerçekleştirildi. İki temsilcisi izleri ‘ resim 1, bir yüzeyi ve bir toplu olarak gösterilir. Sonraki XPS ölçümleri ve derinlik profile üst 1 nm yatırılır filmin VO2 aşırı çevre (adventif) oksijen ve karbon nedeniyle, ancak daha düşük basınçlı oksijen tavlama yordamda kontrol sonra olmadığını göstermek bile yüzey VO2’ ye stabilize. X-ışını kırınım ölçümleri Cu K-Alfa x-ışını enerji kaynağı ve gösterisinde Şekil 2, 39.9˚ tek bir VO2 zirve yapıldı. Bu zirveye imza ALD yetiştirilen VO2 kalitesini doğrular yanı sıra (020) kristal yönlendirme Safir substrat ‘s ile hizalar zirve. Crystallinity, faz ve zorlanma analiz etmek, Raman spektroskopisi uyarma için 532 nm lazer kullanılarak gerçekleştirildi. Şekil 3 VO2 film Raman spektrumu gösterir ve kaliteli kristal gösteren dar doruklarına gösterir. Ayrıca, artan enerji Vanadyum-vanadiyum düşük frekans phonons (193 ve 222 cm-1) ve 612 cm-1 modunda yanı sıra 389 cm-1 modu azalmış enerji bu filmleri12gerilme zorlanma önermek, 13. Morfolojisi atomik kuvvet mikroskobu (AFM) tarafından gözlenmiştir. Şekil 4 gösterir kristal tahıl boyutları 20-40 nm ve 1.4 kök ortalama kare (RMS) pürüzlülüğü sırasına nm Filmler (Şekil 4A) yatırılır ve 2.6 bir RMS pürüzlülüğü nm tavlanmış Filmler (Şekil 4B) için. Optik geçirgenliği ve yansıma veri tarama monokromatör ve kapsama alanı içinde görünür ve kızılötesi bölgesi yakınında bir photodetector ile beyaz bir ışık kaynağı kullanarak elde edilmiştir. Bir metal bir yalıtkan geçişleri gibi Şekil 5 61 ° C. geçiş sıcaklığını gösteren filmin sıcaklık bağımlılık gösterir Metal yalıtkan geçişleri gibi deneysel veri çözümleme sıcaklık ve dalga boyu bağımlı sabit VO2 modelleme etkinleştirir. Şekil 5 nasıl modeli doğru bir şekilde optik davranış parametreleri Tablo 1’ de kullanırken öngörür gösterir. Resim 1: Temsilcisi XPS ölçümleri 35-nm kalın VO2 c-Al2O3. XPS gösterir film toplu VO2 yüzey süre kirlenmektedir içeren C ve O, daha V2O5doğru kaymıştır. Stoichiometry VO2öneriyor. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Resim 2: XRD ölçümleri 35-nm kalın VO2 c-Al2O3. Bu XRD ölçüm bağımsız olarak crystal kalite doğrular ve monoclinic (020) yönlendirme temel Safir tepe ile uyumlu 39.9˚ adlı tek bir VO2 pik gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 3: Raman spectra VO2 c-Al2O3. Bu Raman spektrumu kristal kaliteli gösteren dar tepeler vardır ve hafif bir çekme yük gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 4: Morfoloji VO2 c-Al2O3. AFM resimleri göster üniforma, sürekli film tahıl boyutları 20-40 nm ve RMS roughnesses (A) 1.4 sırasına ile film olarak yetiştirilen ve (B) 2.6 nm nm tavlanmış film için. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 5: Yakın kızılötesi optik geçirgenliği ve yansıma 35-nm kalın VO2 c-Al2O3. Optik geçirgenliği düşük sıcaklık bağımlı davranışını ve yansıma Vanadyum dioksit film vardır 40, 60, 70 ve 90 ° c de göstermek Düz çizgiler üzerinden iki boyutlu ısı – tahmini değerleri komplo açık dairelerden ölçülen geçirgenliği, yansıma ve çeşitli sıcaklıklarda Safir yapısı üzerinde VO2 hesaplanan absorptance vardır ve VO2dalga boyu bağımlı modeli. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Ε∞ OSC. 1 OSC. 2 Yalıtkan 3.4 En 3.8 1.2 Birn 33 2.1 Bn 1.4 1.3 Metal 4.5 En 3.2 0,6 Birn 13 5.3 Bn 1.1 1 Tablo 1: temsili modeli Parametreler için VO 2 . Bu parametreler sabit VO2 , metalik ve yalıtım aşamalı olarak tahmin etmek için bir osilatör modelinde kullanılan temsilcisi vardır.

Discussion

Burada açıklanan büyüme yöntemleri ile ilgili tekdüzelik, kimya, yapısı ve morfoloji tekrarlanabilir sonuçlar sağlar. Vanadyum habercisi yatırılır ALD filmlerin doğru stoichiometry üretimi için önemlidir. Bu belirli habercisi 4 Vanadyum değerlik devlet, diğer daha yaygın + 5 valans devlet teşvik literatürde listelenen birçok aksine teşvik etmektedir. Buna ek olarak, bu belirli habercisi oldukça düşük bir buhar basıncı vardır ve verilen koşullar altında doyurmak için yeterli bir doz sağlamak için Isıtma gerektirir. Yaklaşık 175 ° C aşağılamak bu öncü başlatılmasından bu yana, bu her iki öncül ve ALD büyüme ısıtılması için bir üst sıcaklık sınırını ayarlar. Doğru stoichiometry ulaşmak için başka bir kritik dozaj sırasında ozon konsantrasyonu (burada ~ 125 mg/L) yönüdür. Sık sık belirli koşullar altında bir jeneratör tarafından üretilen ozon konsantrasyonu düşürür veya zaman içinde sürükleniyor. Bu durumda, ozon darbe ve tasfiye süreleri stoichiometry, morfoloji, korumak ve tekdüzelik gofret ayarlanması gerekecektir. Ne burada açıklanan ön arıtma in-situ ozon içeren ALD VO2 c-uçak Safir yüzeylerde üzerinde büyümeye nasıl olduğunu. Büyüme Temizleme ve çekirdekleşme önce belgili tanımlık substrate bağımlı adımlardır; Ancak, işlemi açıklanmıştır burada inşaat için en yüzeylerde (inert, oksit, metaller, vb.) En iyi fesih temizlik ve VO2 büyüme için hazırlık belirlemek için bir reaktivite türler fesih ve vanadyum habercisi arasında substrat herhangi bir yerel oksit en aza indirerek düşünmelisiniz. Son olarak, bu işlem yüksek en-boy oranı yüzeylerde (kadar ~ 100) üzerinde göstermiştir ancak aşırı durumlarda, bir bir pozlama veya conformality daha da geliştirmek için statik ALD Yöntem düşünmelisiniz.

Yeteneği yüksek kalitesi, kristal ALD VO2 film elde etmek için oldukça sonrası ifade tavlama parametreleri üzerinde bağlıdır. Basınç, oksijen özellikle kısmi basınç en kritik yönüdür. Yüksek oksijen faceting ve tahıl büyüme, sonunda nanowire oluşumu, neden müşteri adayına baskıları yanı sıra V2O5 aşamada oluşur. Oksijen basıncı çok düşük ise, oksijen V2O3 aşamasında ortaya çıkan Filmler dışında komplementer olan. Böylece, doğru faz korumak ve film pürüzlülük en aza indirmek için oksijen basıncı 7 x 10-4 PA için 1 x 10-4 aralığında sağlanmalıdır Benzer şekilde, sıcaklık her ikisi de için film kristalize stoichiometry koruyup film pürüzlendirme en aza indirmek mümkün önemlidir. VO2 film sıcaklığını ölçmek zor olsa da, ampirik bulgular kristalizasyon sahne sıcaklıklar 500 ° C’nin büyük gerektirir öneririz Daha yüksek sıcaklıklarda, doğru stoichiometry ve faz korumak ve iğne deliği bedava filmler üretmek zordur. Aynı zamanda bir ticaret-off olduğu zaman, özellikle yüksek sıcaklık sıcaklık ve anneal arasında anneal süresini azaltabilirsiniz. Ayrıca, anneal süresi doğrudan film kalınlığı bağlıdır. Daha kalın filmleri en fazla kristalizasyon elde etmek için daha uzun zaman gerektirir. Böylece, oksijen basınç, sıcaklık tavlama ve açıklandığı zaman tavlama yöntemleri yukarıda en büyük değişiklik, neredeyse ideal geçiş sıcaklığında optik özellikleri’nde sergi kaliteli VO2 filmler üretmek için optimize. Son olarak, ramping ve oranları sırasında oksijen soğutma tavlama pürüzlülük ve morfoloji; bir etkiye sahip yavaş Bunlar, yumuşak filmler.

ALD ifade ve sonraki VO2 üretir odaklı polikristalin filmleri geniş bir alanı bütünlüğü ile TAV. ALD üç boyutlu nano türleri morfoloji, neredeyse herhangi bir yüzey üzerinde Açıkorur yetişkin filmleri sunar. Bu roman uygulamaları VO2 entegrasyon sağlar ve özellikle de optik cihazlar için uygun.

Büyüme ve optik ölçümler aşağıdaki her iki geçirgenliği için verileri için iyi bir uyum sağlayan bir modeli oluşturulur ve yansıma VO2 metalik ve yalıtım aşama yakın kızılötesi spektral bölgede (R2 0,96-0,99 =). Kızılötesi ısı yalıtım faz yansıma bu model oluştururken en zorlu bir süreçtir. Ek osilatör hüküm eklenmiştir, ancak bu modeli karmaşıklığı artış, sadece marjinal bu bölgede uygun geliştirmek. Bu modelde, bir ortak optik Lorentz osilatörler süperpozisyon olduğunu belirtmek gerekir model ve mutlaka belirli elektronik geçiş karşılık gelmez. Başlangıçta, modelleri Drude terim, ancak, Windows terim aslında elendi Drude matematiksel optimizasyon sonra dahil. Bu nedenle, çeşitli minimizasyonu teknikler incelenmiş. Ancak, bu farklı teknikler Drude dönem dahil değil benzer çözümler yakınsadı. ALD VO2 Drude vadede yokluğu nedeniyle bir dizi faktöre, 1) katkılı yarıiletken-benzeri direnci gibi veya enerjileri ve/veya büyük çarpışma hızı (Sönüm terim), metalik anlaşarak düşürmek için 2) bir plazma frekans kayması olabilir Bu filmlerin özellikleri.

Yalıtım aşamasında, T < 60 ° C, geçirgenlik ve kırılma indisi ALD VO2 kabul de diğer üretim yöntemleri ile (sputter4,20,21 ve geniş puls Lazer biriktirme22 23). Metalik devlet, T > 70 ° C, bu ALD filmler sergi diğer yöntemlerle fabrikasyon VO2 ‘ den daha düşük kaybı. Biraz farklı değerleri sabit ve kırılma indisi VO2farklı imalat yöntemleri üretmek iken unutmayın ki, bütün filmler benzer eğilimleri göstermek.

Bu kağıt optik geçirgenlik ve kırılma indisi sıcaklık ve dalga boyu bağımlılığı modelinde de deneysel olarak ölçülen verileri ile kabul eder. Bu modelin yeteneği ölçülen optik veri için uygun kaliteli üretmek için faz bir yalıtkan bir metal değiştikçe güvenilir VO2 optik özelliklerini tahmin edebilirsiniz gösterir. Bu modelleri kullanarak, VO2 optik özelliklerini tahmin edilebileceği gibi sıcaklık, kalınlık ve statik ve dinamik ulaşmalarında optik sistemleri tasarlamak için dalga boyu tarafından ayarlanabilir. Bu modeller tasarım ve optik sistemlerin filmin kalınlığı yanı sıra sıcaklık değiştirerek pasif ve aktif sistemlerinde VO2 kullanarak etkinleştirin.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser çekirdek programları ABD deniz araştırma laboratuvarı tarafından desteklenmiştir.

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