바나듐이 산화물 및 온도 따른 광 모델의 원자 층 증 착

요약

바나듐이 산화물 (VO₂)의 박막 (100-1000 Å)는 사파이어 기판에 원자 층 증 착 (ALD)에 의해 창조 되었다. 이 따라 광학 속성은 VO₂의 금속-절연체 전이 통해 특징 이었다. 측정 된 광학 속성에서 모델 VO₂의 가변 굴절률을 설명 하기 위해 만들었습니다.

초록

바나듐이 산화물은 가역 금속-절연체 상 68 ° c.에 가까운 변화를 가진 소재 웨이퍼 스케일 균일성 및 두께의 angstrom 레벨 제어 VO₂ 다양 한 기판, 성장, 원자 층 증 착의 방법 선정 되었다. 이 ALD 과정에 높은-품질, VO₂의 ultrathin 영화 (100-1000 Å)의 낮은 온도 (≤150 ° C) 성장 수 있습니다. 이 데모에 대 한 VO₂ 영화 사파이어 기판에 성장 했다. 이 저온 성장 기술은 주로 비정 질 VO₂ 영화를 생성합니다. 7 x 10^-4 의 압력으로 초고 진공 챔버에는 후속 anneal Pa 초고 순도 (99.999%) 산소 생산의 중심, 다 보₂ 영화. 화도, 위상 및 VO₂ 의 변형을 라만 분광학 및 x 선 회절에 의해 결정 되었다 산출할 및 불순물 수준 엑스레이 광전자 분광학에 의해 결정 되었다 하는 동안 마지막으로 형태에 의해 결정 되었다 원자 힘 현미경 검사 법입니다. 이러한 데이터는이 기술에 의해 성장 하는 영화의 높은 품질을 보여 줍니다. 모델 근처 적외선 스펙트럼 영역에서 금속과 격리 단계에 VO₂ 에 대 한 데이터에 맞게 만들었습니다. 유전율 및 ALD VO₂ 의 굴절률의 격리 단계에 다른 제조 방법으로 잘 동의 하지만 금속 상태에서 차이 보였다. 마지막으로, 영화 광 속성의 분석 VO₂ 가변 굴절률 물자로 개발에 대 한 복잡 한 광학 굴절률의 파장 및 온도 따른 모델의 생성을 활성화.

서문

바나듐이 산화물 68 ° c.의 가까이 결정 질 상전이 겪 습 이 정방 하 단사에서 구조 크리스탈 변화를 생성합니다. 그러나이 전환의 근원 남아 논란¹, 최근 연구 개발이 전환^2,,34 를 생성 하는 프로세스의 이해를 돕고 있다. 원점에 관계 없이 위상 전환 광학 속성 변경 VO₂ (빛 전송) 절연체에서의 실 온에서 (반영 그리고 흡수 하는 빛) 더 금속 재료에 전환 온도² 위 .

과거에 VO₂ 를 조작 하는 다양 한 방법 사용 되었습니다 (스퍼터 링, 물리적 증기 증 착, 화학 기상 증 착, 분자 빔 피, 솔루션, 등.) ⁵. 할머니₂ 의 속성 주로⁶, 다른 성장 기술 사이 고 이후 상당한 변화를 생산 하고있다 anneal 영화를 조작 하는 데 사용 하 고 다양 한 결정 및 필름 기술에 따라 속성입니다. 그러나 원자 층 증 착 (ALD) 성장 영화의 광학 속성을 조사 하는이 작품,, 접근 모델링 보₂ 영화의 모든 종류에 적용 됩니다.

최근에, 그룹은 VO₂ 광학 기판에 박막을 통합 하 여 광학 장치를 건설. 빠르게 성장 새로운 증 착 방법으로 ALD 이러한 광학 장치 조작에 지원할 수 하 고, 큰 지역 균일, angstrom 수준의 두께 제어, 등각 영화 범위^{7 등 대체 방법 몇 가지 이점이 있다 ,89}. ALD는 각자 제한 레이어, 레이어 증 착 접근, 다양 한 기판 재료에 제작을 필요로 하는 애플리케이션에 대 한 기본 기술 (예., 이기종 통합에 대 한), 또는 3D의 등각 코팅 구조¹⁰ . 마지막으로, ALD 과정의 3 차원 구조의 등각 코팅 광학 응용 프로그램에 특히 유용합니다.

이 종이, ultrathin, 비정 질 ALD 필름에 성장 했다 더블 사이드 광택에 실험에서 c-면 사파이어 기판 낮은 온도 및 높은-품질 결정 필름을 생산 하는 산소 환경에서 단련. 실험 측정을 사용 하 여, 온도 파장 의존 광 변화에에서 대 한 VO₂ 가변 굴절률 소재¹¹로 그것의 사용을 활성화 하는 모델을 만듭니다.

프로토콜

주의: 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오 하 고 모든 적절 한 안전 관행 및 절차를 따르십시오. 바나듐이 산화물 원자 층 증 착 성장 ALD 반응 기를 사용합니다. ALD 성장을 위해 사용 하는 선구자는 tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) 오존 (초고 순도 UHP, 0.3 slm 흐름과 압력을 지지 하는 5 psi에서 99.999% 산소 가스에서 생성 된). 또한, UHP (99.999%) 질소 가스 제거 반응 기 약 실 사용 됩니다. 후속 진공 anneal, UHP 산소 가스 방출에 대 한 어 닐 링 및 UHP 질소 중에 사용 됩니다. TEMAV 가연성 이며 적절 한 엔지니어링 제어에만 사용 해야 합니다. 압축된 산소 가스 위험 이며 적절 한 엔지니어링 제어에만 사용 해야 합니다. 압축 된 질소 가스 위험 이며 적절 한 엔지니어링 제어에만 사용 해야 합니다. 모든 가스 (TEMAV, 산소, 오존, 질소) 적절 한 공학적 안전 통제를 사용 하 여 ALD 반응 기에 연결 됩니다. 스테인레스 스틸 튜브 이후 청소기 그리고 더 신뢰할 수 있는 플라스틱 튜브 ALD 반응 기, 오존 발생기를 연결 합니다. 별도 UHP 산소와 질소 소스는 어 닐 링 절차를 시작 하기 전에 적절 한 공학적 안전 통제를 사용 하 여 챔버 진공에 연결 됩니다. 아세톤 2-프로 판 올 irritants와 적절 한 개인 보호 장비 및 안전 절차 (예, 장갑, 연기 후드, 등)에 사용 해야

1. 원자 층 증 착 사파이어 기판에 바나듐 산화물의

1. 다음과 같이 c-Al₂O₃ (사파이어) 기판 청소: 용 매 sonicator 5 분 동안에 40 ° C에서의 아세톤에 기판 청소 그리고 전송 직접 (린스) 40 ° C에서 2-프로 판 올을 sonicate 5 분 린스 이온 실행에 기판에 대 한 2 분 동안 물 하 고 질소 가스로 건조.
2. ALD 반응 기 챔버 150 ° C에서 인지 확인 하 고 질소 가스로 ALD 반응 기를 환기.
3. 부하는 원자로에 사파이어 기판 청소, 원자로, 닫고 하 펌프 < 17 Pa 진공. 샘플 150 ° c.에 도달 하면 되도록 대기 적어도 300 s
4. 흐르는 ALD 챔버 준비 실로 20 sccm UHP 질소 (기본 압력 36을 초과 해서는 안 Pa), 그리고 다음 15 포화 사이클, 1 개 주기 15 s 제거 다음 0.05의 펄스가 오존을 펄스.
5. 바나듐이 산화물을 성장, 0.03에 대 한 TEMAV 펄스 s 뒤에 30 s 제거, 다음 펄스 오존 0.075에 대 한 s 뒤에 30 s 제거. 이 펄스를 반복 하 고 주기 원하는 성장에 도달할 때까지 제거.
   참고:이 과정은 거의 0.7-0.9의 성장 율을 가진 선형 Å 주기 당.
6. 첫 번째 UHP 질소 가스로 ALD 반응 기 챔버 배기 여 ALD 반응 기에서 샘플을 제거 합니다. 실내 온도에 냉각 금속판 (열 싱크)에 샘플을 놓습니다. ALD 반응 기를 닫고 하 펌프 < 17 Pa 진공. 샘플은 사파이어 기판에 비정 질 바나듐 산화물 필름을 이제 포함 되어 있습니다.
   주의: 제거 샘플 신중 하 게, 이후 샘플은 150 ° c가 열

2. 어 닐 링

참고: 단계 1에서에서 ALD 기술에 의해 성장 하는 VO₂ 영화 비정 질 VO₂생산. 지향된 다 보₂ 영화를 만들려면 샘플 사용자 정의 초고 진공 챔버 6 방향 십자가 있는 어 닐 링에 단련 된다. 어 닐 링 챔버를 청결 한 유지 하는 로드 잠금 삽입 하 고 예제를 제거 만들어집니다. 3"직경 산소 방지 히터 정의 플래티넘 와이어 히터로 구성 된다. 이 히터는 샘플 탑재 되는 산화 인 코넬 썰매의 복사 난방을 제공 합니다. 썰매는 히터에서 샘플의 좋은 열 전달 위한 높은 방사 율.

1. 로드 잠금, 썰매 인지 확인 다음 UHP 질소 가스로 부하 자물쇠를 환기 하 고 부하 자물쇠를 열. 로드 잠금에 썰매에 샘플을 놓고 로드 잠금 챔버를 닫습니다.
2. ~0.1 Pa 로드 잠금 펌프 황삭 펌프를 사용 하 여. 다음으로, 터보 펌프와 펌프 부하 잠금을 전환할 < 10^-4 실바 게이트 밸브를 열고 하 고 어 닐 링 챔버에 썰매를 전송 하는 어 닐 링 펌프 챔버 < 10^-5 아빠
3. 흐름 1.5 sccm 초고 순도 (UHP, 99.999%) 어 닐 링 챔버로 산소.
   참고: 낮은 흐름 율을 보장 하기 위해 5 sccm 질량 유량 컨트롤러를 통해 산소를 실행 합니다. 1 x 10^-4 와 7 x 10^-4 실바 사이 여야 합니다는 압력 샘플 150 ° c.에 도달 하기 전에 달성 해야 하는이 압력
4. 썰매가 열 560 ℃ (고온 계와 열전대 측정)에 난방을 사용 하 여 진입로 보류 ~ 20 ° C/분의 속도 (300 영화 Å)에 대 한 2 h 560 ° C에서 썰매.
   참고: 어 닐 링 시간 종속 두께입니다. 경험적 데이터 예제 < 샘플 Å 두께, 2 h 250 > 250 Å 하지만 < 500 Å 두께, 및 샘플 3 h > h 1을 어 닐 링 제안 500 Å 두께.
5. 히터 및 히터 조립품 (으로 부하 잠금)에서 썰매를 제거 하 여 샘플을 끄다.
6. 샘플 온도 미만 150 ° C (예를 들어, 샘플의 온도를 측정 부하 잠금 고온 계 사용) 될 때까지 산소 환경에서 샘플을 유지.
   참고: 더 나은 샘플도 낮은 온도까지 대기에 의해 달성 된다. 일단 샘플은 < 150 ° C, 산소 흐름을 해제 하 고 게이트 밸브를 닫습니다.
7. UHP 질소 가스를 환기. 샘플을 제거 < 50 ° C와 장소에 금속 접시를 실내 온도에 냉각 (열 싱크) 샘플. 로드 잠금 빈 썰매와 0.1 펌프를 닫습니다 황삭 펌프를 사용 하 여 Pa. 터보 펌프와 펌프 부하 잠금을 전환 < 10^-4 실바

3입니다. 특성화

1. 532 nm 레이저 구동 소스와 라만 분광학을 사용 하 여 샘플을 검사 합니다.
   1. 현미경에는 샘플을 로드 하 고 초점으로 그것을. 소프트웨어에서 카메라 이미지의 샘플 초점을 확인 합니다. 4 스캔 레이저 전원 설정 mW, 0.125에 노출 시간 s, 10, 검사의 수와 미리 보기 크기 40 µ m.
   2. 라만 스펙트럼 관찰 라이브 스펙트럼을 클릭 합니다. 초점, 레이저 전원, 노출 시간, 및 검사의 수 신호 대 잡음 비를 최대화 하기 위해 최적화 합니다. 스펙트럼 데이터를 저장 하려면 저장을 클릭 합니다.
      OMNIC에서 스펙트럼을 엽니다. 봉우리를 식별 하기 위해 "Pk 찾기" 버튼을 클릭 합니다. 결정 화도, 위상 (VO₂ 대 보, V₂O3, V₂O₅, 등.), 스트레인 비교 봉우리 바나듐 산화물^12,13에 대 한 데이터를 참조 하 여.
      참고: 좁은 봉우리 결정 고품질, 라만 phonon 모드 193, 222, 612 c m^-1 의 강화 및 389 cm^-1 모드의 연은 VO₂ 크리스탈에 인장 스트레인의 지표.
2. X 선 회절 (XRD) 하 여 방향, 결정, 및 단계를 확인 합니다.
   참고: XRD 스펙트럼에 봉우리의 모양을 결정 구조, 결정 구조와 방향을 구체적으로의 성격을 나타냅니다. VO₂의 다른 비행기에 대 한 무기 결정 구조 데이타 베이스 (ICSD) 카드를 XRD 데이터 피크의 2Θ 각도 일치 하 여 할머니₂ 의 방향을 결정 합니다. 다른 바나듐 산화 단계의 카드 데이터 봉우리 여는 단계를 결정 합니다. 표준 데이터베이스에 실험적인 봉우리의 수동 비교는이 작품에서 수행 되었다. 39.9도 하나의 VO₂ 피크 VO₂ 크리스탈 품질을 확인 하 고 단사 (020) 방향을 보여 줍니다.
3. 엑스레이 광전자 분광학 (XPS)에 의해 산출할 및 불순물 수준 결정
   1. 샘플 홀더에 샘플을 로드 합니다. 소프트웨어 열고 환기 부하 잠금을 클릭 합니다. 로드 잠금, 샘플 홀더를 삽입 하 고 아래로 펌프를 클릭 합니다. 압력까지 기다려 < 4 x 10^-5 아빠 챔버로 샘플 홀더를 이동 하려면 전송 단추를 클릭 하십시오. 약 실 압력은 확인 < 7 x 10^-6 아빠
   2. 실험 트리로 측정 매개 변수를 입력 합니다. X 선 총 400 µ m 크기를 켜고 홍수 총 켭니다. 조사 측정 지점을 추가 하 고 (V와 O) 영화 요소 뿐만 아니라 선구자 요소 (C와 N)의 높은 해상도 스캔에 대 한 포인트를 추가 합니다. 각 측정에 대 한 통과 에너지 (조사 200 eV와 고해상도 스캔을 위해 20 eV)와 검사 (2 이상의 조사와 높은 해상도 대 한 15)의 번호를 추가 합니다.
   3. 십자선 포인트 측정 샘플에 원하는 위치에 놓습니다. 클릭 하 고 실험 트리 제목 실험 "실행" 메뉴 모음에서 모든 측정 검사 실행을 클릭.
   4. 식별 하 고 영화에 있는 요소를 분석 조사 ID 절차를 실행 합니다. 수동 피크 피크 맞는 버튼 뒤를 추가 고해상도 데이터에서 결합 분석을 선택 합니다. XPS 수첩¹⁴에 따라 통합된 피크 농도의 비율을 복용 하 여 산출할을 결정 합니다.
   5. 끝나면 종료는 총 클릭 이동 하려면 전송 단추 부하 잠금에 샘플 홀더. 일단 샘플 로드 자물쇠에, 환기 부하 잠금을 클릭 하 고 샘플을 언로 드.
      참고:이 설문 조사에서 불순물을 식별 함으로써 모든 성분의 존재를 식별 합니다. 그림 1에서 보듯이 특정 바인딩 에너지에 XPS 봉우리 바나듐 산화물의 valences 보여줍니다. 예를 들어 이러한 결과 두 대표 XPS 측정 깊이 클러스터 이온 총 에칭으로 입금 샘플 프로 파일링 하 여 얻은 보여 줍니다. 표면의 XPS 측정 (영화의 대량)에서 에칭된 샘플의 XPS 측정 표시 피크 ~ 516 eV에서 VO₂의 존재를 보여주는 V₂O₅의 존재를 보여주는 ~ 518 eV에서 피크를 보여준다. 전체-폭-에-절반-최대 (즉, 차 순도) 영화에서 바나듐의 본딩 균일성을 나타냅니다. 또한, 다른 에너지 봉우리 수의 식별 분석 오염 (> 1%).
4. 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용 하 여 형태를 결정
   1. AFM 전자와 컴퓨터를 켭니다. Nanoscope 프로그램을 시작 하 고 선택 로드 실험 도청 모드를 선택 합니다. 단계를 초기화 합니다.
   2. 화면 왼쪽에 실험 순서를 따라 하 고 설정 메뉴를 클릭 합니다. 캔틸레버에 초점 광학 초점 컨트롤을 사용 합니다. 레이저 위치 최적화를 클릭 하 여 조사에 레이저를 맞춥니다. Autoalign 감지기 단추를 클릭 한 다음 Autotune 캔틸레버를 클릭 합니다.
   3. 샘플을 로드 하 고 진공을 켭니다.
   4. 탐색 버튼을 클릭 하 고 머리 아래 예제를 트랙볼을 사용 하 여. 팁 반사를 클릭 하 고 팁은 초점에까지 초점 버튼을 누른 채로, 트랙볼을 사용 하 여 샘플 표면에 머리를 낮은. 샘플 단추를 클릭 하 고 AFM 후드를 닫습니다.
   5. 확인 매개 변수 메뉴를 클릭 합니다. 스캔 크기는 확인 < 1 µ m 및 설정 512 샘플/라인. 참여 메뉴를 클릭 합니다. 대기 20 s.
   6. 3 µ m 및 스캔 속도에서 3.92 Hz. 두고 최적화 이미지, 필요한 경우 매개 변수를 변경 하 여 스캔 크기 설정: 드라이브 진폭, 진폭 세트 포인트, 정수 및 비례 이득.
   7. 캡처 단추 다음 프레임 아래로 버튼을 클릭 하 여 원하는 이미지를 캡처하십시오. 스캔을 따라 철회 버튼을 클릭 합니다.
   8. 분석 소프트웨어에서 열려면 원하는 이미지에 더블 클릭. 형태를 결정 하려면 결합 버튼을 클릭 하 고 클릭 실행. 거칠기 표면 거칠기를 계산 하 여 입자 분석 깊이 히스토그램을 계산 하 여 입자 크기를 의미 클릭을 클릭 하 여 통계 매개 변수를 추출 합니다.
   9. 이동 메뉴를 클릭 하 고 샘플 로드 위치를 클릭 합니다. 진공 끄고 샘플을 언로 드.
      참고: 샘플 샘플에서 일관성을 위해 같은 AFM 스캔 매개 변수 유지.
5. 광 투과율 및 반사율을 결정 합니다.
   1. 가변 광 소스를 사용 하 고 광 투과율과 반사율 (또는 근처)에서 근 적외선 영역에서 정상적인 부각을 측정 한다. 보정 샘플 100% 투과율과 반사율 100% 근처에 골드 미러 없이 시스템.
   2. 온도 제어 단계에 VO₂ 샘플을 로드 합니다. 원하는 온도에서 샘플을 안정화 합니다. 측정 투과율과 반사율 원하는 스펙트럼 범위, 예를 들어 적외선 근처 지역.
      참고: 최적의 결과 대 한 온도 해야 적어도 20 ° C 위와 아래 보₂ (일반적으로, 68 ° C)의 전환 온도 변화.

4. 모델링 광학 상수 (유전율 및 굴절률)

1. 광자 에너지, E, 다음 수식을 사용 하 여의 기능으로 복잡 한 유 전체 유전율, ε, 모델 ( n 발진기의 합계에 따라 높은 주파수 유전율 ε_∞ 가 어디 _n 는 발진기 진폭, E_n 발진기 에너지 및 B_n 발진기 댐핑):
   
   참고: 사용자 정의 Matlab 프로그램 분석 하 고 데이터를 모델링.
2. 단계 4.1, 사파이어 기판에 대 한 알려진된 매개 변수를 입력 하 고 광학 파장의 기능으로 유 전체 유전율을 계산 하려면 다음을 사용 합니다. 다음 계산 하는 굴절률 (n = √ε), 고 반사율과 투과율 기판의 계산 굴절 인덱스를 사용 하 여.
3. 단계 4.2 측정 된 데이터의 결과 비교 하 고 그로 인하여 측정 및 계산 결과 오류를 줄이기 위해 단계 4.2의 입력된 매개 변수를 업데이트 하는 최적화 기법 (예: Nelder 미드¹⁵)를 사용 사파이어 기판에 대 한 매개 변수를 최적화.
4. VO₂ 단계 4.1에서에서 방정식에 대 한 매개 변수를 예상 하 고 유 전체 유전율을 계산 하려면 다음을 사용. 다음 계산 하는 굴절률 (n = √ε) 사용, VO₂ 두께, 기판 두께, 굴절률 (단계 4.3)에서 광 파장, 광학 편광 및 부각의 각을 전송¹⁶ 입력으로 반사율 및 투과율 VO₂ 코팅 기판의 얻을. VO₂ 입력된 매개 변수를 업데이트 하 여 할머니₂에 대 한 매개 변수를 최적화 함으로써 측정 및 계산 결과 오류를 줄일 수 (예: Nelder 미드¹⁵)는 최적화 기법을 사용 합니다.
5. 4.2 4.4에 바나듐 산화물 (30에서 90 ° C 온도)의 단 열 및 금속 상태에 걸쳐 여러 온도에서 단계를 수행 합니다. 모델 VO₂ 의 굴절률의 온도 의존 다음과 같습니다.
   
   어디 ε_VO2(T) 온도, VO₂ 의 굴절률은 ε_기능 ε_금속 은 절연 및 금속 단계 및 f (t)의 유 전체 유전율 및 절연 및 금속 광 속성의 배포 제어 온도 따른 함수 이다. F (t) 에 대 한 페르미-디랙-같은 기능을 사용 하 여 효과적인 매체 근사^17,,1819에 의해 주어진 유사한 격리 및 금속 상태 사이의 전환 제어.
   
   T_t 는 전이 온도 W 는 전환의 너비를 제어.
6. 전이 온도 너비 최적화 측정 및 계산 결과 오류를 줄이기 위해 f (t) 에 대 한 수식에 매개 변수 (W 및 Tt)를 업데이트 하는 최적화 기법을 사용 합니다. 이 유 전체 유전율 및 VO₂의 굴절률에 대 한 온도 파장 의존 모델에서 발생합니다.

결과

바나듐 산화물 성장 ALD의 품질을 식별 하기 위해 엑스레이 광전자 분광학 (XPS)로 입금, 주로 비정 질 VO₂ 영화 (그림 1)에서 수행 되었다 뿐 아니라 결정 VO₂ 영화 (표시 되지 않음)을 단련. X 선 회절 (XRD) 단련된 VO₂ 영화 (그림 2)에서 수행 되었다. 또한, 영화 내에서 화학의 수직 프로필 계량 있도록 깊이 프로 파일링 수행 되었다 양이온/음이온 종의 우선 에칭을 최소화 하기 위해 클러스터 이온 소스와 함께. 두 개의 대표적인 흔적 그림 1, 표면에 및 일괄에에 표시 됩니다. 깊이 프로필 및 후속 XPS 측정 표시로 입금 영화 최고 1 nm는 VO₂ 초과 환경 (adventitious) 산소와 탄소, 하지만 더 많은 제어 저압 산소의 어 닐 링 절차 후도 VO₂표면 안정화. X-선 회절 측정 Cu K-알파 x 선 에너지 소스와 쇼, 그림 2, 39.9˚에서 하나의 VO₂ 피크에서에서 수행 했다. ALD 성장 VO₂ 의 품질을 확인 하는이 피크의 서명 뿐만 아니라 (020) 크리스탈 오리엔테이션 사파이어 기판의 정렬 피크.

화도, 단계, 및 스트레인 분석, 라만 분광학 여기 532 nm 레이저를 사용 하 여 수행 되었다. 그림 3 VO₂ 영화의 라만 스펙트럼 및 고 고품질 결정을 나타내는 좁은 봉우리를 보여줍니다. 또한, 389 cm^-1 모드의 감소 에너지로 서 바나듐-바나듐-저주파 phonons 193 및 222 c m^-1와 612 cm^-1 모드에서 증가 에너지 제안이 영화^{12, 인장 변형 13}.

형태는 원자 힘 현미경 (AFM)에 의해 관찰 되었다. 그림 4 는 20-40 nm과 1.4의 루트-의미-스퀘어 (RMS) 거칠기 순서 크리스탈 입자 크기 및 2.6의 RMS 거칠기로 입금 영화 (그림 4A)에 대 한 단련 된 영화 (그림 4B) nm.

광 투과율 및 반사율 데이터 스캐닝 단색와 범위에서 보이는 및 적외선 영역 근처를 제공 하는 매칭 백색 광원을 사용 하 여 얻은 했다. 그림 5 는 영화의 온도 의존 금속, 절연체에서 전환으로 61 ° c.의 전이 온도 보여주는 금속 절연체에서 전환로 실험 데이터 분석 VO₂ 의 온도 파장 의존 유전율의 모델링을 수 있습니다. 그림 5 어떻게 모델 정확 하 게 예측 광학 동작 표 1에 있는 매개 변수를 사용 하는 경우를 보여 줍니다.

그림 1: 35 nm 두께 VO₂ c 알루미늄₂O₃의 대표 XPS 측정. XPS를 보여주는 영화의 표면, 동안 VO₂ C 및 O 포함 된 오염, V₂O₅으로 더 이동 된다. 산출할 VO₂를 제안합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2: 35 nm 두께 VO₂ c 알루미늄₂O₃의 XRD 측량. 이 XRD 측정은 단일 VO₂ 피크 39.9˚ 독립적으로 크리스탈 품질을 확인 하 고 단사 (020) 방향을 기본 사파이어 피크와 정렬 하는 방법을 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3: VO₂ c 알루미늄₂O₃의 라만 스펙트럼. 이 라만 스펙트럼 좁은 봉우리, 고품질 결정을 나타내는 있으며 약간의 인장 변형 율을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

VO₂ c 알루미늄₂O₃의 그림 4: 형태로 는 AFM 이미지 그레인 크기 20-40 nm와 (A) 1.4의 RMS 구체적인 순서와 유니폼, 연속 영화 보기 영화로 성장 및 (B) 2.6 nm nm 단련된 영화에 대 한. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 5: 근처-적외선 광 투과율 및 반사율 35 nm 두께 VO₂ c 알루미늄₂O₃의. 광학 투과율의 온도 따라 동작 및 바나듐 산화물 필름의 반사율은 40, 60, 70, 90 ° c.에서 쇼 오픈 원 작에는 측정된 투과율, 반사율, 및 다양 한 온도에서 사파이어 구조에 VO₂ 의 계산된 율 동안 고체 선은 2 차원 온도-예측된 값 및 VO₂의 파장-종속 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

	Ε∞		osc입니다. 1	osc입니다. 2
절연체
	3.4	En	3.8	1.2
		N	33	2.1
		Bn	1.4	1.3
금속
	4.5	En	3.2	0.6
		N	13	5.3
		Bn	1.1	1

표 1: 보의 대표 모델 매개 변수 ₂ . 이 매개 변수는 금속과 격리 단계에 VO₂ 의 유전율을 추정 하는 발진기 모델에 사용 된 그의 대표.

토론

여기에 설명 된 성장 메서드는 균일성, 화학, 구조 및 형태에 관해서는 재현 가능한 결과 제공 합니다. 바나듐 전조 ALD 필름으로 예금의 올바른 산출할 생산에 매우 중요 하다. 이 특정 전조 + 4 바나듐 원자가 상태 보다 일반적인 + 5 원자가 상태를 홍보 하는 문학에 나열 된 다른 많은는 달리 촉진 합니다. 또한,이 특정 전조 상당히 낮은 증기 압력을가 하며 주어진 조건 하에서 포화를 충분 한 복용량을 제공 하는 열. 이 전조 저하 175 ° C의 주위에 시작, 이후 위 온도 한계를 전조 성장과 ALD의 두 열을 설정 합니다. 올바른 산출할 달성 하는 또 다른 중요 한 측면은 주입 하는 동안 오존 농도 (~ 125 mg/L 여기) 이다. 종종 특정 조건 하에서 생성기에서 생성 하는 오존의 농도 저하 또는 시간이 지남에 따라 나타난다. 이 경우, 오존 펄스 제거 기간 산출할, 형태학, 유지 하 고 웨이퍼 균일성을 조정 해야 합니다. 여기에 설명 성장 ALD VO₂ c-면 사파이어 기판에 제자리에서 오존을 포함 미리 치료 하는 방법입니다. 청소 및 nucleation 성장 이전 단계는 기판; 그러나, 프로세스 설명 여기 대부분 기판에 대 한 작품 (불활성, 산화물, 금속, 등.) 최고의 종료 청소 및 할머니₂ 성장 위한 준비를 확인 하려면 하나 기판에 모든 네이티브 산화를 최소화 하면서 종 종료 및 바나듐 전 구체 사이 반응성을 고려해 야 합니다. 마지막으로,이 과정은 높은 종횡비 (최대 ~ 100) 기판에 입증 되었습니다 하지만 극단적인 경우, 하나는 노출 또는 정적 ALD 메서드 conformality 더 강화를 고려해 야.

높은 품질, 결정 ALD VO₂ 영화를 달성 하는 능력은 확실히 후 증 착 어 닐 링 매개 변수에의 지. 가장 중요 한 점은 압력, 특히 산소의 부분 압력입니다. 높은 산소 압력에 결국 나노와이어의 형성을 일으키는 faceting 및 곡물 성장으로 이어질 뿐 아니라 V₂O₅ 단계에서 결과. 산소 압력이 너무 낮은 경우에, 산소는 V₂O₃ 단계에서 발생 하는 영화에서 소 둔. 따라서, 올바른 단계를 유지 하 고 영화 거칠기 최소화, 산소 압력 유지 되어야 7 x 10^-4 실바를 1 x 10^-4 의 범위 마찬가지로, 온도 두 영화를 구체화 산출할, 유지 하 고, 영화의 거칠게 최소화 수 있는 중요 한. 경험적 연구 결과 결정 화 단계 온도 500 ° c. 보다 큰 필요 하다는 것이 좋습니다 VO₂ 영화의 온도 측정 하기 어려운, 더 높은 온도에서 그것 정확한 산출할 및 위상 유지 및 pinhole 무료 영화를 제작 하기 어렵습니다. 또한 트레이드 오프는 단련 온도와 시간, 특히 높은 온도 단련 시간을 줄일 수 있습니다. 또한, 단련 기간은 필름의 두께에 직접 연관 된다. 두꺼운 필름 최대 결정 화를 달성 하기 위해 더 이상 시간을 필요 합니다. 따라서, 산소 압력 anneal 온도, 및 시간에 설명 된 anneal 위의 방법 거의 이상적인 전환 온도에 광학 속성에서 가장 큰 변화는 고품질 VO₂ 영화를 제작 하도록 최적화 했다. 마지막으로, 램프 및 산소 중 속도 냉각 anneal 거칠기 및 형태학;에 영향 느린 이들은는 부드러운 영화입니다.

ALD 증 착 및 이후의 큰 지역 균등 성에 anneal VO₂ 생산 지향된 다 영화. ALD는 거의 모든 기판의 3 차원 나노 형태학에 conformally 성장된 영화를 제공합니다. 이 할머니₂ 통합으로 새로운 응용 프로그램을 가능 하 게 하 고는 광학 장치 적합 특히 잘.

성장 및 광학 측정, 다음은 모델을 만들고 데이터에 잘 맞는 두 투과율에 대 한 제공 하 고 반사율 VO₂ 의 금속 및 단 열에 가까운 적외선 스펙트럼 영역에서 단계 (R² = 0.96-0.99). 적외선 보 온 위상의 반사율은이 모델을 만드는 가장 어려운 프로세스입니다. 추가 발진기 용어 추가 되었습니다, 하지만이 모델의 복잡성 증가, 단 marginally 향상이 지역에 적합. 주목 해야 한다이 모델에서 로렌츠 발진기의 중첩은 일반적인 광학 모델 및 특정 전자 전환 반드시 일치 하지 않습니다. 그러나 처음에, 모델 포함 Drude 기간, 수학 최적화 후 Drude 용어 근본적으로 삭제 되었다. 이러한 이유로 여러 최소화 기법 시험 되었다. 그러나, 이러한 다른 기술을 Drude 용어를 포함 하지 않았다 유사한 솔루션에 수렴. ALD VO₂ 에 Drude 용어의 부재는 등 여러 가지 요인, 1) 첨가-반도체-같은 저항력, 또는 2) 플라즈마 주파수 변화 에너지/큰 충돌 속도 (댐핑 용어), 또는 금속와 낮은 수 있습니다. 이 영화의 속성입니다.

단 열 단계 T에서에서 < 60 ° C, 유전율 및 ALD VO₂ 의 굴절률 동의 잘 다른 제조 방법 (스퍼터 링된^4,,2021 및 펄스 레이저 증 착^{22 23}). 금속 상태, T에에서 > 70 ° C, 이러한 ALD 필름 다른 방법에 의해 조작 VO₂ 보다 낮은 손실을 전시. 유전율 및 VO₂의 굴절률에 대 한 약간 다른 값을 산출 하는 다른 제조 방법 하는 동안 주의 하는 것이 중요 하다, 모든 영화와 비슷한 추세를 표시.

광학 유전율 및 굴절률의 온도 파장 의존의이 종이에 모델 잘 실험적으로 측정 된 데이터와 함께 동의합니다. 이 모델의이 능력 측정된 광학 데이터에 맞는 좋은 품질을 생산 하는 위상 절연체에서 금속을 변경 VO₂ 의 광학 속성 안정적으로 예측할 수 있습니다 보여 줍니다. 이러한 모델을 사용 하 여, VO₂ 의 광학 속성 온도, 간격 및 파장 정적 및 동적 목표를 달성 하는 광학 시스템을 설계 하 여 예상 대로 조정 될 수 있습니다. 이 모델 설계 및 온도 뿐만 아니라 영화의 두께 수정 하 여 수동 및 활성 시스템에 VO₂ 를 사용 하는 광학 시스템의 개발 가능

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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