VO2薄膜制备技术及其应用进展

张士举

摘 要：本文综述了溅射法、溶胶-凝胶法、蒸发法、常压化学气相沉积法等制备VO2薄膜的方法，并对其应用现状进行了阐述，对发展趋势进行了预测。

关键词：二氧化钒；制备；应用

0 引言

VO2作为固态热致相变材料，当温度在68℃时，因热驱动而发生相转变，VO2晶体结构会随之发生变化（单斜结构转变为四方金红石结构），同时其光学和电学性能也会发生突变。VO2薄膜优异的电学和光学特性，使得其具有较高的实用价值和广阔的应用前景，在多个领域中发挥着重要作用[1]。

当前用于制备VO2薄膜的方法主要有溅射法、溶胶-凝胶法、蒸发法、常压化学气相沉积法等。

1 二氧化钒薄膜的制备方法

1.1 溅射法

该法是在通氧条件下溅射金属钒靶，淀积与反应同时进行，溅射所用设备可以是离子束溅射或磁控溅射，用Ar+离子束溅射钒靶，在加热衬底上形成VO2多晶薄膜，然而在较低衬底温度下晶粒尺寸会较小，两相电阻比Rs/Rm小。采用反应磁控溅射，在Ar气中混合O2，可在蓝宝石衬底上外延出VO2，外延VO2薄膜具有相变陡峭、热滞效应小等特性。

此外，还有溅射V2O5粉末靶制备VO2的报道。用纯Ar+离子直接溅射V2O5粉末靶，即可在衬底上淀积出二氧化钒。周进等人采用Ar+离子柬溅射V2O5粉末靶在室温下淀积出的氧化钒薄膜为高价态V2O5[2]。

1.2 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）

将VO（OC3H7）3溶于某些有机溶剂配成母液，用涂胶机或漂洗仪将母液涂布于衬底上，温度在370～670℃范围内进行烘干沉底生成V2O5。将V（OR）4溶液均匀涂布于玻璃衬底上，凝胶后形成VO2·X（H2O），在N2气中经200～700℃烘干衬底，即获得VO2。该法制备成本低，可大面积制备，客易掺杂，可双面一次形成，但厚度较难控制，工艺控制要求较高，容易使薄膜开裂或起泡[3]。

1.3 蒸发法

通常用V2O5粉末蒸发淀积VO2薄膜。单纯蒸发获得的氧化钒薄膜一般为缺氧的V2O5，在200～500℃氧气中退火，薄膜即转变为符合化学计量比的VO2，薄膜的机械强度得到了提高，与衬底附着力也得到优化。若在通氧下进行蒸发，可淀积得到V2O5，但要在较低的衬底温度下淀积，使得薄膜机械强度和附着力变差。用上述蒸发法获得的薄膜，难以制备低价态氧化钒，有人用反应蒸发的方法制备低价态氧化钒。Case采用电子束蒸发金属钒，在通氧下，在蓝宝石、CaF2、石英等多种衬底上淀积出VO2。他还通过Ar+、O-离子辅助反应蒸发获得VOx（x<2），经原位高温退火转变为VO2?。然而蒸发获得的氧化钒的薄膜机械强度差，与衬底的附着力小，有时衬底温度会过高，不适于与SiCMOS电路进行单片集成[4]。

1.4 常压化学气相沉积法（APCVD）

该法成膜速度快，连续性高，便于应用于浮法在线生产，是近几年才发展起来的一种制备VO2薄膜的新方法。前驱液采用VCl4或VOCl3与H2O，在将其气化后，以氮气为载气，输送至反应器。生产时，要精确控制VCl4或VOCl3与H2O的用量比例以及热玻璃板表面温度才能沉积得到组分单一的薄膜[5]。

2 VO2薄膜的应用

因VO2薄膜在相变时伴随着电学、光学性质的突变的性能，使得VO2材料具有较高的应用价值和广阔的应用前景。

2.1 激光辐射保护膜

强激光入射到窗口上时，VO2薄膜会吸收光能量，使VO2薄膜温度迅速上升至相变温度，薄膜在极短的时间内即完成从半导体态向金属态的转变，薄膜对红外光由透射突变为反射，从而降低了进入光学系统的光能量，使光学系统不至于烧毁，达到防护的目的。

2.2 智能窗

98%的太阳辐射能处于可见光和红外光波段。在该波段，VO2薄膜具有较高的低温透过率和较低的高温透过率。故VO2薄膜太阳能窗可智能的调节红外热辐射的透过率，形成智能窗。当温度高时，VO2处于高温金属态，对红外光透过率很低，可阻止红外光的入射，达到降低室温的目的；当温度低于VO2薄膜的相变温度时，红外光又以较高的透过率透过智能窗，使室内温度上升。

2.3 高灵敏度应变计材料

VO2薄膜的电阻（率）对应变非常的敏感，应变敏感程度可达传统金属100倍以上。一般情况下，连续金属箔的应变系数值约为2左右，而VO2薄膜可达200之高。VO2薄膜的电阻（率）对加载或卸载时应变敏感的特性，使它有成为高灵敏度应变计的优选材料。

2.4 红外辐射测热计及热敏电阻

VO2薄膜是较好的热敏电阻材料，与V2O5一样，其电阻率随温度的变化可达2～5.2%/℃；利用VO2薄膜受温度激发电阻率突变的特性，可以将其制成热致电学开关材料，如温度探测器、热敏继电器、非制冷红外探测器等。

2.5 可变反射镜

VO2薄膜相变时光学反射率会发生突变，可将其制成反射镜，当薄膜某点温度改变时，则该点的反射率就发生变化。

3 结语

VO2薄膜在众多领域中扮演着极其重要的角色，对VO2薄膜的研究已取得一定的进展。要使VO2薄膜在各领域应用更加广泛，还需进一步解决许多问题，如进一步优化VO2薄膜的制备工艺；降低VO2薄膜相变温度；增强相变特性以提高相变前后电学和光学特性的变化幅度等。

参考文献

[1]金良茂，方强，王友乐.二氧化钒薄膜的制备技术及应用研究[J].2007年中国浮法玻璃及玻璃新技术发展研讨会论文集，2008.8，64～68.

[2]周进等.氧化钒热敏薄膜的制备及其性质的研究[J].红外与毫米波学报，2001，20（4）：291～294.

[3]茹国平等.微测辐射热计用氧化钒薄膜制备及特性[J].微细加工技术，2002，4：45～51.

[4]FCCase.LowtemperaturedepositionofVO2thinfilmd.Vac.Sci.Techn01.，1998，A8（3）：13951398.

[5]易新建等.低温热致变色VO2薄膜的制备及应用[J].电子.激光，2005，16：1227～1230.