磁控溅射制备五氧化二钒薄膜及其透射率研究

张　勃，李林虎，张轩硕，邓年捷，沈龙海

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)



磁控溅射制备五氧化二钒薄膜及其透射率研究

张勃，李林虎，张轩硕，邓年捷，沈龙海

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

摘要：采用直流磁控溅射方法在普通玻璃衬底上制备五氧化二钒薄膜。研究氧氩比、溅射功率、衬底温度和溅射时间对氧化钒薄膜结构的影响。XRD测试结果表明，实验均制得了纯相的五氧化二钒，没有出现其他的钒氧化物相。对制备的薄膜进行了透射率测试，并对结果做了分析。结果显示，在室温下，溅射功率为250W，溅射时间为10min，氧氩比为1∶100的条件下，薄膜的结晶度最好且具有较高的透射率。

关键词：直流磁控溅射；五氧化二钒薄膜；XRD；透射率

氧化钒因其具有重要的特性而被人们广泛研究。其中二氧化钒(VO2)因具有“金属-绝缘体相变”特性，而被广泛应用于智能节能玻璃、红外成像、激光防护等方面[1]。氧化钒薄膜的制备方法主要有磁控溅射[2]、溶胶-凝胶[3]和脉冲激光沉积[4]等。磁控溅射镀膜因其薄膜稳定性较好、膜层的结合力强和镀材范围广等优势[5]，被广泛应用于镀膜生产中。

作为过渡金属氧化物，目前已报道至少存在13种不同结构的钒氧化物，氧化钒中的钒会以不同价态存在，同时V-O键的复杂性也会增加制备单一物态氧化钒薄膜的难度[6]。利用磁控溅射方法制备氧化钒薄膜的过程中，也容易出现多种钒氧化物杂相共存的现象，如VO、VO2、V2O3、V2O5等[7]。因此直接制备VO2薄膜的难度较大，通常可以先制备高价的五氧化二钒(V2O5)再通过在还原性气体氛围退火处理得到VO2薄膜[8]。

单一相的V2O5薄膜的获取有利于后期进行退火制备VO2薄膜。同时，V2O5本身也具有许多优良的光电特性，在二次电池、电致变色、半导体等领域，受到人们广泛的关注与研究。目前以普通玻璃作为衬底制备V2O5薄膜的报道还不多，主要是由于玻璃为非晶态，在其上形成晶态的V2O5薄膜有一定难度。本文采用直流磁控溅射，在普通玻璃衬底上，不同条件下制备纯相的V2O5薄膜样品。通过X射线衍射测试和透射光谱研究衬底温度、功率、氧氩比和溅射时间对V2O5薄膜结构透射率的影响。

1实验

实验采用JZ-450多功能镀膜机在普通玻璃衬底上制备V2O5薄膜。XRD测试仪器采用RigakuD/max-rc，激发源采用铜靶(Cu，Kα=0.15406nm)，用θ-2θ方式测试。透射率测试仪器采用棱光UV757CRT型紫外可见分光光度计，波长范围300～900nm。溅射靶材为纯度99.99%的金属钒，真空室的本底真空为2.0×10-4Pa，衬底为普通玻璃，工作气压为2.2Pa，靶基距为5cm。溅射时，通入高纯的O2(99.99%)和Ar(99.99%)分别作为工作气体和载气体。通过改变衬底的温度、溅射功率以及氧气(O2)和氩气(Ar)的流量比，在不同的条件下制备V2O5薄膜样品，具体实验参数见表1。

表1实验控制变量

2结果与分析

2.1XRD实验结果与分析

图1a～图1d分别为不同氧氩比、溅射功率、溅射时间、衬底温度下的薄膜样品的X射线衍射谱，每个图中都出现的衍射峰2θ=15.39°、20.31°、31.07°、41.29°、47.38°和62.17°分别对应于V2O5的(200)、(010)、(310)、(020)、(600)和(701)晶面，由此可知制备的薄膜样品为正交晶系的V2O5，以(010)为主要的晶面取向，所有样品的主要衍射峰都比较尖锐，由此可见薄膜样品的结晶较好。

图1a为不同氧氩比下制得的薄膜样品的XRD谱图，随着氧氩比逐渐增大，衍射峰强逐渐增大，结晶度变好。研究发现通常氧含量增多会使得钒氧化物中钒的价态升高[9]，但通过对比XRD图谱发现，本组实验通过改变氧氩比以调整氧的含量，均制得纯相V2O5薄膜，氧氩比的调整对生成的薄膜组分并无影响；图1b为不同溅射功率下的薄膜样品的XRD图像。随着溅射功率的增加，衍射峰峰强降低，峰位没有发生变化，说明仍然生成了纯相的V2O5薄膜。这是由于溅射功率增大，相同时间下成膜厚度增加，薄膜内部缺陷增多，结晶度变差，所以衍射峰峰强降低；图1c为不同溅射时间的薄膜样品的XRD图像。随着溅射时间的增加，衍射峰的峰位及峰强均无明显变化。说明溅射时间对样品成分及其结晶度无影响；图1d为不同衬底温度下的薄膜样品的XRD图像，随着衬底温度的升高，衍射峰峰强降低，峰位并无明显变化，说明仍然为纯相的V2O5薄膜。

(a)不同氧氩比

(b)不同溅射功率

(c)不同溅射时间

(d)不同衬底温度

2.2透射光谱实验结果与分析

图2为不同实验条件下制得的V2O5薄膜在300～900nm波段的透射光谱，通过对图2的分析得知，在300～480nm波长范围内，不同参数下的薄膜样品具有大致相同特征的透射光谱，且透射率都比较低。在500～650nm波长范围内，透射率增幅较大，且在波长为680nm处吸收峰呈现向下的跳变。在750～900nm波长范围内，透射率波形趋于平缓。

图2a为不同氧氩比下V2O5薄膜的透射光谱，随着O2流量的增大，薄膜的透射率逐渐变大，这可能是由于O2流量的增大，薄膜的沉积速率降低，所制备的薄膜变薄而引起的[10]；图2b为不同溅射功率下V2O5薄膜的透射光谱，随着溅射功率的增大，成膜速率增加，相同时间内，薄膜厚度变厚，透射率降低；图2c为不同溅射时长下V2O5薄膜的透射光谱，随着溅射时长的增加，透射率降低；图2d为不同衬底温度下V2O5薄膜的透射光谱，随着衬底温度升高，透射率降低。这可能是由于成膜过程中温度较高，晶体内部缺陷增多，导致透射率较低[11]。

经过上述分析可知，增加氧氩比，降低溅射功率，缩短溅射时间以及降低衬底温度，均可增加薄膜的透射率。

(a)不同氧氩比

(b)不同溅射功率

(c)不同溅射时间

(d)不同衬底温度

3结论

采用直流磁控溅射法，在普通玻璃衬底上成功制备了结晶良好、纯度较高的V2O5薄膜。在室温下，当溅射功率为250W，溅射时间为10min，氧氩比为1∶100时，制得的V2O5薄膜具有较好的结晶度且具有较高的透射率。纯相V2O5薄膜的制

备，有利于后期退火以制备二氧化钒薄膜，对二氧化钒薄膜的制备具有重要意义。

参考文献：

[1]方应翠，陈长琦，朱武，等.二氧化钒薄膜在智能窗方面应用研究[J].真空，2003，3(2)：16-18.

[2]Flores M,Muhl S,Andrade E.The relation between the plasma characteristic and the corrosion properties of TiN/Ti multilayers depoisited by unbalanced magnetron sputtering[J].Thin Solid Films,2003,433(1-2): 217-223.

[3]Yin Dachun,Xu Niankan,zhang Jingyu,et a1.Vanadium Dioxde FiIms with good electrical switching property[J].J phys D:Apl Phys,1996,29(4): 1051-1057.

[4]Case F C.Modifications in the Phase Transition Properties VO2Films[J].J Vac Sci Technol,1984,A2(4): 1509-1512.

[5]余东海，王成勇，成晓玲，等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，2009，46(2)：19-25.

[6]李志栓，吴孙桃，李静，等.磁控溅射制备五氧化二钒薄膜的研究[J].功能材料，2005，36(2)：285-287.

[7]陈长琦，王君，陈庆连，等.直流反应磁控溅射法制备VO2薄膜[J].真空科学与技术学报，2008，28(2)：153-158.

[8]乔亚，俞红兵，齐博蕾，等.磁控溅射氧化钒相变薄膜的电阻温度特性测量[J].压电与声光，2014，36(2)：202-204.

[9]张辉，刘应书，刘文海，等.基片温度与氧分压对磁控溅射制备氧化钒薄膜的影响[J].物理学报，2007，56(12)：7255-7261.

[10]吴广明，吴永刚，倪星元，等.V2O5薄膜电致色特性研究[J].应用科学学报，1997，15(3)：285-290.

[11]张雪峰.五氧化二钒薄膜的制备及其电致变色性能研究[D].成都：电子科技大学，2007.

(责任编辑：马金发)

Preparation of Vanadium Pentoxide Films by Magnetron Sputtering

ZHANG Bo，LI Linhu，ZHANG Xuanshuo，DENG Nianjie，SHEN Longhai

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：Vanadium pentoxide thin films were prepared on ordinary glass substrates by DC magnetron sputtering.The influence of argon oxygen ratio,sputtering power,substrate temperature and sputtering time the structure of on vanadium oxide thin film was studied.XRD results showed that all samples were pure phase vanadium pentoxide.There was no other vanadium oxide phase.A series of experiments were carried to test the transmittance of Vanadium pentoxide films and the results were analyzed.

Key words：DC magnetron sputtering；vanadium pentoxide films；XRD；transmittance

中图分类号：O484.4

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0027-04

作者简介：张勃(1989—)，男，硕士研究生；通讯作者：沈龙海(1977—)，男，教授，博士，研究方向：宽禁带半导体纳米材料的合成和物性。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11004138)；辽宁省优秀人才支持计划资助项目(LJQ2011020)

收稿日期：2015-03-10