張士舉

摘 要：本文綜述了濺射法、溶膠-凝膠法、蒸發(fā)法、常壓化學氣相沉積法等制備VO2薄膜的方法，并對其應用現(xiàn)狀進行了闡述，對發(fā)展趨勢進行了預測。

關鍵詞：二氧化釩；制備；應用

0 引言

VO2作為固態(tài)熱致相變材料，當溫度在68℃時，因熱驅(qū)動而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，VO2晶體結(jié)構(gòu)會隨之發(fā)生變化（單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇鸺t石結(jié)構(gòu)），同時其光學和電學性能也會發(fā)生突變。VO2薄膜優(yōu)異的電學和光學特性，使得其具有較高的實用價值和廣闊的應用前景，在多個領域中發(fā)揮著重要作用[1]。

當前用于制備VO2薄膜的方法主要有濺射法、溶膠-凝膠法、蒸發(fā)法、常壓化學氣相沉積法等。

1 二氧化釩薄膜的制備方法

1.1 濺射法

該法是在通氧條件下濺射金屬釩靶，淀積與反應同時進行，濺射所用設備可以是離子束濺射或磁控濺射，用Ar+離子束濺射釩靶，在加熱襯底上形成VO2多晶薄膜，然而在較低襯底溫度下晶粒尺寸會較小，兩相電阻比Rs/Rm小。采用反應磁控濺射，在Ar氣中混合O2，可在藍寶石襯底上外延出VO2，外延VO2薄膜具有相變陡峭、熱滯效應小等特性。

此外，還有濺射V2O5粉末靶制備VO2的報道。用純Ar+離子直接濺射V2O5粉末靶，即可在襯底上淀積出二氧化釩。周進等人采用Ar+離子柬濺射V2O5粉末靶在室溫下淀積出的氧化釩薄膜為高價態(tài)V2O5[2]。

1.2 溶膠-凝膠法（Sol-Gel）

將VO（OC3H7）3溶于某些有機溶劑配成母液，用涂膠機或漂洗儀將母液涂布于襯底上，溫度在370～670℃范圍內(nèi)進行烘干沉底生成V2O5。將V（OR）4溶液均勻涂布于玻璃襯底上，凝膠后形成VO2·X（H2O），在N2氣中經(jīng)200～700℃烘干襯底，即獲得VO2。該法制備成本低，可大面積制備，客易摻雜，可雙面一次形成，但厚度較難控制，工藝控制要求較高，容易使薄膜開裂或起泡[3]。

1.3 蒸發(fā)法

通常用V2O5粉末蒸發(fā)淀積VO2薄膜。單純蒸發(fā)獲得的氧化釩薄膜一般為缺氧的V2O5，在200～500℃氧氣中退火，薄膜即轉(zhuǎn)變?yōu)榉匣瘜W計量比的VO2，薄膜的機械強度得到了提高，與襯底附著力也得到優(yōu)化。若在通氧下進行蒸發(fā)，可淀積得到V2O5，但要在較低的襯底溫度下淀積，使得薄膜機械強度和附著力變差。用上述蒸發(fā)法獲得的薄膜，難以制備低價態(tài)氧化釩，有人用反應蒸發(fā)的方法制備低價態(tài)氧化釩。Case采用電子束蒸發(fā)金屬釩，在通氧下，在藍寶石、CaF2、石英等多種襯底上淀積出VO2。他還通過Ar+、O-離子輔助反應蒸發(fā)獲得VOx（x<2），經(jīng)原位高溫退火轉(zhuǎn)變?yōu)閂O2?。然而蒸發(fā)獲得的氧化釩的薄膜機械強度差，與襯底的附著力小，有時襯底溫度會過高，不適于與SiCMOS電路進行單片集成[4]。

1.4 常壓化學氣相沉積法（APCVD）

該法成膜速度快，連續(xù)性高，便于應用于浮法在線生產(chǎn)，是近幾年才發(fā)展起來的一種制備VO2薄膜的新方法。前驅(qū)液采用VCl4或VOCl3與H2O，在將其氣化后，以氮氣為載氣，輸送至反應器。生產(chǎn)時，要精確控制VCl4或VOCl3與H2O的用量比例以及熱玻璃板表面溫度才能沉積得到組分單一的薄膜[5]。

2 VO2薄膜的應用

因VO2薄膜在相變時伴隨著電學、光學性質(zhì)的突變的性能，使得VO2材料具有較高的應用價值和廣闊的應用前景。

2.1 激光輻射保護膜

強激光入射到窗口上時，VO2薄膜會吸收光能量，使VO2薄膜溫度迅速上升至相變溫度，薄膜在極短的時間內(nèi)即完成從半導體態(tài)向金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變，薄膜對紅外光由透射突變?yōu)榉瓷洌瑥亩档土诉M入光學系統(tǒng)的光能量，使光學系統(tǒng)不至于燒毀，達到防護的目的。

2.2 智能窗

98%的太陽輻射能處于可見光和紅外光波段。在該波段，VO2薄膜具有較高的低溫透過率和較低的高溫透過率。故VO2薄膜太陽能窗可智能的調(diào)節(jié)紅外熱輻射的透過率，形成智能窗。當溫度高時，VO2處于高溫金屬態(tài)，對紅外光透過率很低，可阻止紅外光的入射，達到降低室溫的目的；當溫度低于VO2薄膜的相變溫度時，紅外光又以較高的透過率透過智能窗，使室內(nèi)溫度上升。

2.3 高靈敏度應變計材料

VO2薄膜的電阻（率）對應變非常的敏感，應變敏感程度可達傳統(tǒng)金屬100倍以上。一般情況下，連續(xù)金屬箔的應變系數(shù)值約為2左右，而VO2薄膜可達200之高。VO2薄膜的電阻（率）對加載或卸載時應變敏感的特性，使它有成為高靈敏度應變計的優(yōu)選材料。

2.4 紅外輻射測熱計及熱敏電阻

VO2薄膜是較好的熱敏電阻材料，與V2O5一樣，其電阻率隨溫度的變化可達2～5.2%/℃；利用VO2薄膜受溫度激發(fā)電阻率突變的特性，可以將其制成熱致電學開關材料，如溫度探測器、熱敏繼電器、非制冷紅外探測器等。

2.5 可變反射鏡

VO2薄膜相變時光學反射率會發(fā)生突變，可將其制成反射鏡，當薄膜某點溫度改變時，則該點的反射率就發(fā)生變化。

3 結(jié)語

VO2薄膜在眾多領域中扮演著極其重要的角色，對VO2薄膜的研究已取得一定的進展。要使VO2薄膜在各領域應用更加廣泛，還需進一步解決許多問題，如進一步優(yōu)化VO2薄膜的制備工藝；降低VO2薄膜相變溫度；增強相變特性以提高相變前后電學和光學特性的變化幅度等。

參考文獻

[1]金良茂，方強，王友樂.二氧化釩薄膜的制備技術及應用研究[J].2007年中國浮法玻璃及玻璃新技術發(fā)展研討會論文集，2008.8，64～68.

[2]周進等.氧化釩熱敏薄膜的制備及其性質(zhì)的研究[J].紅外與毫米波學報，2001，20（4）：291～294.

[3]茹國平等.微測輻射熱計用氧化釩薄膜制備及特性[J].微細加工技術，2002，4：45～51.

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

[5]易新建等.低溫熱致變色VO2薄膜的制備及應用[J].電子.激光，2005，16：1227～1230.