JoVE Logo
Autores
Entre em contato

Entrar

Neste Artigo

  • Resumo
  • Resumo
  • Introdução
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discussão
  • Divulgações
  • Agradecimentos
  • Materiais
  • Referências
  • Reimpressões e Permissões

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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.

Protocolo

Atenção: Consultar todas as fichas de dados de segurança relevantes (MSDS) antes de usar e siga todos os procedimentos e práticas de segurança adequadas. O crescimento de deposição de camada atômica de dióxido de vanádio usa um reator ALD. Os precursores usados para o crescimento de ALD são tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) e ozônio (gerado a partir de ultra-alta pureza, UHP, gás de 99,999% de oxigénio em 0,3 slm fluxo e 5 psi pressão de apoio). Além disso, gás de nitrogênio UHP (99,999%) é usado para a purga da câmara do reator. Para o vácuo subsequente recoze, UHP oxigênio gás é usado durante o recozimento e nitrogênio UHP para a ventilação. TEMAV é inflamável e só deve ser usado com controles de engenharia adequadas. Gás oxigênio comprimido é um perigo e só devem ser usado com controles de engenharia adequadas. Gás nitrogênio comprimido é um perigo e só devem ser usado com controles de engenharia adequadas. Todos os gases (TEMAV, oxigênio, ozônio e o nitrogênio) estão conectados para o reator ALD usando controles de segurança apropriados engenharia. Tubos de aço inoxidável conecta o gerador de ozônio para o reator ALD, uma vez que é mais limpa e mais confiável em seguida plástica da tubulação. Fontes de oxigênio e nitrogênio UHP distintas são conectadas ao vácuo recozimento câmara usando controles de segurança apropriados engenharia antes de iniciar o procedimento. Acetona e 2-propanol são irritantes e só devem ser usados com pessoal protetor equipamento e segurança procedimentos adequados (por exemplo, luvas, coifa, etc.)

1. deposição de camada atômica de dióxido de vanádio em substratos de safira

  1. Limpar um c-Al2O3 (sapphire) substrato da seguinte forma: solvente limpar o substrato em acetona a 40 ° C em sonicador por 5 min, em seguida, transferi-lo diretamente (sem enxágue) para o 2-propanol a 40 ° C e proceda à sonicação por 5 min. Enxágue o substrato em marcha desionizada água por 2 min e seque-o com gás nitrogênio.
  2. Certifique-se de que a câmara do reator ALD é a 150 ° C e ventilação do reator ALD com gás nitrogênio.
  3. Carga limpos safira substrato no reator, fechar o reator e bombear para < 17 vácuo de Pa. Espere pelo menos 300 s para garantir que a amostra chegue a 150 ° C.
  4. Preparar a câmara de ALD fluindo 20 nitrogênio UHP de sccm na câmara (a pressão de base não deve exceder 36 Pa), e então pulse ozônio para 15 ciclos saturados, onde um ciclo é um pulso de 0.05-s, seguido por uma purga de s a 15.
  5. Para crescer dióxido de vanádio, TEMAV de pulso para 0,03 s seguido de um expurgo de s 30 e, em seguida, ozônio de pulso para 0,075 s seguido por uma purga s 30. Repita este pulso e purgar o ciclo até crescimento desejado seja alcançado.
    Nota: Este processo é quase linear com uma taxa de crescimento de 0,7-0,9 Å por ciclo.
  6. Retire a amostra do reator ALD pela primeira câmara de reator de ALD com gás de nitrogênio UHP de ventilação. Coloca a amostra em uma placa de metal (dissipador de calor) para resfriá-lo à temperatura ambiente. Fechar o reator ALD e bombear para < 17 vácuo de Pa. A amostra contém agora uma película de óxido de vanádio amorfo em substrato de safira.
    Atenção: Retire a amostra cuidadosamente, desde que a amostra é aquecida a 150 ° C.

2. recozimento

Nota: Filmes de VO2 crescidos através da técnica ALD na etapa 1 produzem amorfo VO2. Para criar policristalino orientada para filmes de VO2 , as amostras são recozidas em um personalizado ultra alto vácuo recozimento câmara com uma cruz de seis vias. Para limpar a câmara de recozimento, um bloqueio de carga é criado para inserir e remover as amostras. Um aquecedor oxigênio resistentes de diâmetro 3" é composto de um aquecedor de fio de platina personalizado. Este aquecedor fornece aquecimento radiativo de um trenó de Inconel oxidado, à qual as amostras são montadas. O trenó tem alta emissividade para boa transferência de calor do aquecedor para as amostras.

  1. Certifique-se de que o trenó é no bloqueio de carga, em seguida, ventilar o bloqueio de carga com gás de nitrogênio UHP e abrir a fechadura de carga. Coloque a amostra no trenó em bloqueio de carga e fechar câmara de bloqueio de carga.
  2. Bomba do bloqueio de carga para ~0.1 Pa usando bomba de desbaste. Em seguida, alternar para turbo bomba e bloqueio de carga de bomba para < 10-4 PA. Abra a válvula e o trenó de transferência para a câmara de recozimento, e bomba de recozimento de câmara para < 10-5 PA.
  3. Fluxo de 1.5 sccm ultra-alta pureza (UHP, 99.999%) oxigênio na câmara de recozimento.
    Nota: Execute o oxigênio através do controlador de fluxo de massa 5 sccm para garantir uma baixa taxa de fluxo. A pressão deve estar entre 1 x 10-4 e 7 x 10-4 PA. Esta pressão deve ser alcançada antes da amostra atinge a 150 ° C.
  4. Aqueça o trenó a 560 ° C (medida com pirômetro e termopar) usando um aquecimento rampa taxa de ~ 20 ° C/min. Segure o trenó a 560 ° C por 2 h (para 300 Å filme).
    Nota: O tempo de recozimento é dependente de espessura. Dados empíricos sugerem recozimento 1 h para amostras < 250 Å grosso, 2h para amostras > 250 Å mas < 500 Å grossa e 3h para amostras > 500 Å grossa.
  5. Saciar a amostra desligar o aquecedor e removendo o trenó do conjunto do aquecedor (para fechamento de carga).
  6. Manter a amostra no ambiente de oxigênio até que a temperatura da amostra torna-se menos de 150 ° C (por exemplo, uso pirômetro em bloqueio de carga para medir a temperatura da amostra).
    Nota: Amostras melhores são conseguidas por esperar até temperaturas ainda mais baixas. Uma vez que a amostra é < 150 ° C, desligue o fluxo de oxigênio e fechar a válvula.
  7. Desabafar com gás de nitrogênio UHP. Retirar a amostra no < 50 ° C e coloque a amostra na placa de metal (dissipador de calor), arrefecer à temperatura ambiente. Fechar o bloqueio de carga com o trenó vazio e a bomba a 0,1 Pa usando bomba de desbaste. Alternar para turbo bomba e bloqueio de carga de bomba para < 10-4 PA.

3. caracterização

  1. Examine a amostra, usando Espectroscopia Raman com uma fonte de excitação de 532 nm laser.
    1. Carregar a amostra em um microscópio e trazê-lo em foco. Verifique se o foco de amostra da imagem câmera no software. Definir o scan, potência do Laser para 4 mW, tempo de exposição para 0,125 s, número de varreduras de 10 e o tamanho da visualização de 40 µm.
    2. Clique em Live espectro para observar o espectro Raman. Otimize o foco, poder do laser, tempo de exposição e número de varreduras para maximizar o sinal à relação de ruído. Clique em salvar espectro para salvar os dados.
      Abrir o espectro em ÔMICAS. Clique no botão "Encontrar Pks" para identificar picos. Determine a cristalinidade, fase (VO2 vs VO, V2O3, V2O5, etc.) e tensão por comparando picos para fazer referência a dados para óxidos de vanádio12,13.
      Nota: Picos estreitos indicam alta qualidade cristalina, enquanto o endurecimento de Raman fônon modos 193, 222 e 612 cm-1 e/ou amolecimento do modo 389 cm-1 são indicadores de tensão de tração no cristal2 VO.
  2. Determine a orientação, cristalinidade e fase por difração de raios x (XRD).
    Nota: O aparecimento de picos no espectro XRD indica a natureza da estrutura cristalina, especificamente a estrutura cristalina e orientação. Determine a orientação do VO2 combinando o ângulo de 2Θ do pico XRD dados para os cartões de banco de dados de estrutura de cristal inorgânicos (ICSD) para diferentes planos de VO2. Determine a fase combinando picos de dados para cartões de fases de óxido de vanádio diferentes. Neste trabalho realizou-se comparação manual dos picos experimentais para o banco de dados padrão. Um único pico VO2 39,9 graus verifica a qualidade de cristal2 VO e demonstra a orientação (020) monoclínico.
  3. Determinar os níveis de impureza e estequiometria por espectroscopia de fotoelétron de raios x (XPS)
    1. Carrega a amostra para o titular da amostra. Software aberto e clique em bloqueio de carga vent. Insira o porta-amostras no bloqueio de carga e clique em bomba para baixo. Esperar até pressão < 4 x 10-5 PA. Clique no botão de transferência para mover porta-amostras para a câmara. Verifique se a pressão da câmara é < 7 x 10-6 PA.
    2. Medição de parâmetros de entrada para a árvore de experimento. Ligue a pistola de raios-x com tamanho de ponto de 400 µm e depois vire na arma de inundação. Adicionar um ponto para a medição de pesquisa e em seguida, adicionar pontos para digitalizações de alta resolução de elementos precursor (C e N) bem como os elementos de filme (V e O). Para cada medição, adicione energia pass (200 eV para pesquisa e 20 eV para digitalizações de alta resolução) e número de exames (2 ou mais para pesquisa e 15 para alta resolução).
    3. Coloque a mira de ponto de medição no local desejado na amostra. Clique e realce o título de árvore do experimento e em "Experimental Run" na barra de menu para executar todos os scans de medição.
    4. Execute o procedimento de ID de pesquisa para identificar e analisar os elementos do filme. Selecione Manual pico adicionar seguido por botões pico apto para analisar a ligação nas análises de dados de alta resolução. Determine a estequiometria, tomando a relação entre as intensidades de pico integrada de acordo com o manual de XPS14.
    5. Quando terminar, desligamento das armas, clique o botão de transferência para mover o porta-amostras para o bloqueio de carga. Uma vez que a amostra é o bloqueio de carga, clique em bloqueio de carga vent e descarregar a amostra.
      Nota: Isso identifica a presença de todos os elementos de pesquisa, identificando desse modo as impurezas. Picos XPS a energias de ligação específicos mostram as valências de óxidos de vanádio, conforme mostrado na Figura 1. Por exemplo, esses resultados mostram duas medições representativas de XPS obtidas pela profundidade de perfil com uma arma de íons cluster gravando a amostra como depositado. A medição de XPS da superfície mostra um pico em ~ 518 eV demonstrando a presença de V2O5, enquanto a medição de XPS da amostra gravada (na maior parte do filme) mostra um pico em ~ 516 eV demonstrando a presença de VO2. O cheio-largura-no-meio-max indica a uniformidade de ligação do vanádio nos filmes (em outras palavras, a pureza de fase). Além disso, a análise da outra energia picos permite identificação de contaminantes (> 1%).
  4. Determinar a morfologia por meio de microscopia de força atômica (AFM)
    1. Ligue o computador e AFM eletrônica. Iniciar o programa de Nanoscope e selecione o modo de bater, em seguida, selecione carrega experimento. Inicialize o palco.
    2. Siga a ordem experimental no lado esquerdo da tela e clique em Menu de configuração. Use controles de foco a óptica de foco em cantilever. Ajustar o laser na sonda clicando em otimizar a posição do Laser. Clique o botão detector de Autoalign e clique em Autotune cantilever.
    3. Amostra de carga e ligue o aspirador.
    4. Clique em navegar e usar o trackball para colocar a amostra sob a cabeça. Clique em dica de reflexão e abaixar a cabeça para a superfície da amostra usando a Trackball, enquanto pressiona o botão de foco até que a ponta está em foco. Clique no botão de amostra e fechar a capota da AFM.
    5. Clique no Menu de parâmetro de verificação. Certifique-se o tamanho de varredura é < 1 µm e conjunto linha/amostras para 512. Clique no botão de Menu se envolver. Espere 20 s.
    6. Definir o tamanho de varredura para 3 µm e deixe o scan velocidade em 3,92 Hz. otimizar a imagem, se necessário, alterando parâmetros: conduzir a amplitude, o ponto de ajuste de amplitude, ganhos integrais e proporcionais.
    7. Capture a imagem desejada clicando no botão Frame para baixo, seguido do botão de captura. Após a digitalização, clique o botão de levantar.
    8. Dê um duplo clique na imagem desejada para abri-lo no software de análise. Para determinar a morfologia, clique no botão de nivelamento e em seguida, clique em executar. Extrai os parâmetros estatísticos clicando rugosidade para calcular a rugosidade da superfície e clique em análise de partículas para calcular o histograma de profundidade e dizer o tamanho de grão.
    9. Clique no Menu navegar e em posição de carga de amostra. Desligue o vácuo e descarregar a amostra.
      Nota: Para obter a consistência de amostra para amostra, mantenha os mesmos parâmetros de digitalização AFM.
  5. Determine a refletância e transmitância ótica.
    1. Usar uma fonte óptica ajustável e medir a transmitância ótica e incidência normal de reflectância no (ou perto) na região do infravermelho próximo. Calibre o sistema sem amostra para 100% de transmitância e com um espelho de ouro para perto de 100% de reflectância.
    2. Carrega a amostra de2 VO para o palco de temperatura controlada. Estabilize a amostra na temperatura desejada. Medir a transmitância e refletância na faixa espectral desejada, por exemplo, em toda a região do infravermelho próxima.
      Nota: Para obter melhores resultados, a temperatura deve ser variada pelo menos 20 ° C acima e abaixo da temperatura de transição de VO2 (geralmente, 68 ° C).

4. modelagem ópticas constantes (permissividade e índice de refração)

  1. Modelo a permissividade dielétrica complexa, ε, em função da energia do fóton, E, utilizando a seguinte equação (onde ε∞ é a permissividade de alta frequência, seguida pela soma dos osciladores n onde umn é a amplitude do oscilador, En a energia do oscilador e Bn o amortecimento do oscilador):
    figure-protocol-14534
    Nota: Custom Matlab programas analisaram e modelados dos dados.
  2. Digite os parâmetros conhecidos safira substrato na etapa 4.1 e use-as para calcular a permissividade dielétrica em função do comprimento de onda óptica. Em seguida, calcular o índice de refração (n = √ε), e usando o índice de refração, calcular a refletância e transmitância do substrato.
  3. Comparar os resultados da etapa 4.2 com os dados medidos e em seguida, empregar uma técnica de otimização (como Nelder Mead15) para atualizar os parâmetros de entrada da etapa 4.2 a fim de reduzir o erro entre os resultados de medidas e calculados, desse modo otimizando os parâmetros para o substrato de safira.
  4. Estimar os parâmetros para VO2 na equação na etapa 4.1 e usá-los para calcular a permissividade dielétrica. Em seguida, calcular o índice de refração (n = √ε) e use-o, juntamente com a espessura de VO2 , espessura de substrato, índice de refração (da etapa 4.3), comprimento de onda óptico, polarização óptica e ângulo de incidência como entradas para a transferência de16 a obter a refletância e transmitância do substrato VO2 revestido. Emprega uma técnica de otimização (como Nelder Mead15) para atualizar os parâmetros de entrada de2 VO e reduzir o erro entre os resultados de medidas e calculados, otimizando assim os parâmetros para o VO2.
  5. Execute as etapas de 4.2 a 4.4 em várias temperaturas, abrangendo os Estados de isolamento e metálicos de dióxido de vanádio (temperaturas de 30 a 90 ° C). A dependência de temperatura de índice de refração de VO2 modelo como segue:
    figure-protocol-16330
    onde εVO2(T) é o índice de refração do VO2 em função da temperatura, εins e εmetal são a permissividade dielétrica das fases de isolamento e metálicas e f (t) é uma função dependente da temperatura, que regem a distribuição das propriedades ópticas de isolamento e metálicas. Use uma função de Fermi-Dirac-como para f (t) para governar a transição entre o estado isolante e metálico, semelhante ao efetivo médio aproximações17,18,19, dado por:
    figure-protocol-17031
    onde Tt é a temperatura de transição e W controla a largura da transição.
  6. Emprega uma técnica de otimização para atualizar os parâmetros (W e Tt) na equação para f (t) reduzir o erro entre os resultados de medidas e calculados, otimizando assim a temperatura de transição e a largura. Isso resulta em um modelo dependente da temperatura e comprimento de onda para a permissividade dielétrica e o índice de refração de VO2.

Resultados

Para identificar a qualidade da ALD crescido óxido de vanádio, espectroscopia de fotoelétron de raios x (XPS) realizou-se no como-depositados, principalmente amorfos VO2 filmes (Figura 1), bem como recozido cristalinos filmes de2 VO (não mostrados). Difração de raios x (XRD) foi realizada sobre os filmes de2 VO recozidos (Figura 2). Além disso, para ajudar a quantificar o perfil vertical da química dentro do filme, profundidade de perfil foi feita com uma fonte de íons de cluster para minimizar condicionamento preferencial da espécie cátion/ânion. Dois traços representativos são mostrados na Figura 1, um na superfície e outro a granel. O perfil de profundidade e medições posteriores XPS mostram que o top 1-nm do filme como depositado não VO2 devido ao excesso de oxigênio (acidental) ambiental e carbono, mas depois de mais um controlado processo de recozimento em oxigênio de baixa pressão até a estabiliza a superfície de VO2. Foram realizadas medidas de difração de raios x com uma fonte de energia de raios-x de Cu K-alfa e Visualizar, na Figura 2, um único pico VO2 39.9˚. A assinatura deste pico verifica a qualidade da ALD-crescido VO2 , bem como que a orientação de cristal (020) alinha com o substrato safira pico.

Para analisar a cristalinidade, fase e estirpe, Espectroscopia Raman foi realizada usando um laser de 532 nm para a excitação. A Figura 3 mostra um espectro Raman do filme VO2 e mostra picos estreitos que indicam alta qualidade cristalina. Além disso, o aumento da energia nos fônons baixa frequência de vanádio-vanádio (193 e 222 cm-1) e o modo de 612 cm-1 , bem como a diminuição da energia do modo 389 cm-1 , sugerem a deformação elástica nesses filmes12, 13.

A morfologia foi observada por microscopia de força atômica (AFM). A Figura 4 mostra os tamanhos de grão de cristal na ordem de 20-40 nm e uma rugosidade de root-mean-square (RMS) de 1,4 nm para filmes como depositado (Figura 4A) e uma rugosidade RMS de 2.6 nm para filmes recozidos (Figura 4B).

Dados de transmitância e reflectância ópticos foram obtidos usando uma fonte de luz branca com um monocromador de digitalização e um fotodetector, que forneceu a cobertura no visível e perto da região do infravermelho. A Figura 5 mostra a dependência da temperatura do filme como que faz a transição de um isolador de um metal, demonstrando uma temperatura de transição de 61 ° C. Analisar os dados experimentais permite a modelagem da permissividade dependente da temperatura e comprimento de onda do VO2 como ele passa de um isolante para metal. A Figura 5 mostra como o modelo prediz com precisão o comportamento óptico quando usando os parâmetros na tabela 1.

figure-results-3468
Figura 1: Medições de XPS representante de espessura 35 nm VO2 na c-Al2O3. XPS mostra que a maior parte do filme é VO2 , enquanto a superfície, que contém C e O contamina, é deslocado mais para V2O5. A estequiometria sugere VO2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-4061
Figura 2: Medições de XRD de espessura 35 nm VO2 na c-Al2O3. Medição de XRD este mostra um único pico de VO2 em 39.9˚ que verifica a qualidade do cristal e demonstra a orientação monoclínico (020) está alinhado com o pico de safira subjacente independente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-4653
Figura 3: espectros Raman de VO2 na c-Al2O3. Este espectro Raman tem picos estreitos, indicando alta qualidade cristalina e mostra uma ligeira tensão elástica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-5133
Figura 4: Morfologia do VO2 na c-Al2O3. O AFM imagens mostram filmes uniformes, contínuas, com tamanhos de grão da ordem de 20-40 nm e asperezas RMS do (A) 1,4 nm para o filme como cultivados e (B) 2.6 nm para o filme recozido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-5715
Figura 5: Transmitância óptica infravermelha e reflectância de espessura 35 nm VO2 na c-Al2O3. o comportamento de temperatura-dependente da transmitância ótica e reflectância da película de dióxido de vanádio são mostradas em 40, 60, 70 e 90 ° C. Os círculos abertos no enredo são a medição de transmitância, reflectância e absorptance calculado do VO2 na estrutura de safira a diferentes temperaturas, enquanto as linhas sólidas são os valores previstos da temperatura bidimensional - e modelo de comprimento de onda dependente do VO2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Ε de∞OSC. 1OSC. 2
Isolador
3.4En 3.81.2
Uman 332.1
Bn 1.41.3
Metal
4.5En 3.20.6
Uman 135.3
Bn 1.11

Tabela 1: parâmetros do modelo representativo para VO 2 . Esses parâmetros são representativos daqueles usados em um modelo de oscilador para estimar a permissividade do VO2 em suas fases metálicas e isolantes.

Discussão

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.

Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado por programas de núcleo no laboratório de pesquisa Naval dos Estados Unidos.

Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
c-Al2O3
UHP OxygenAir Products
UHP NitrogenAir Products
Tetrakis (ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV)Air Liquide
AcetoneFischer ScientificA18-4
2-propanolFischer ScientificA416P-4
Savannah S200-G2Veeco - CNTSavannah S200-G2
ozone generatorVeeco - CNTozone generator
Platinum wire heaterHeatWave Labscustom

Referências

  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).

Reimpressões e Permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE

Solicitar Permissão

Explore Mais Artigos

Engenhariaedi o 135deposi o de camada at micafina pel cula crescimentocrescimento de baixa temperaturatransi o Metal isolantecaracteriza o pticandice de refra o ptica

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacidade

Termos de uso

Políticas

Entre em contato

recomende à biblioteca

Newsletter

Pesquisa

Educação

Autores

Bibliotecários

SOBRE A JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados