屈豪杰， 郭玉獻(xiàn)， 張東徽

(安徽建筑大學(xué) 數(shù)理學(xué)院 先進(jìn)電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

0 引 言

近年來(lái)，半導(dǎo)體薄膜材料在光學(xué)與電學(xué)領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。前者主要研究薄膜表面折射率和透射率之間的關(guān)系，根據(jù)其特性廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件；后者主要研究半導(dǎo)體薄膜材料的溫阻特性，特別對(duì)于一些相變材料，如二氧化釩薄膜等；然而，如何快速、準(zhǔn)確測(cè)量薄膜材料的溫阻特性一直是人們不斷追求的目標(biāo)。以往的高精度溫控電阻測(cè)試系統(tǒng)[1]和四探針測(cè)量技術(shù)[2]極大程度上解決了該領(lǐng)域的測(cè)量要求，但這些裝置存在著體積龐大、價(jià)格昂貴和測(cè)量效率較低等不足之處。基于此，本文借鑒以往對(duì)熱敏電阻等相關(guān)領(lǐng)域測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[3-5]，設(shè)計(jì)了一種快速測(cè)量薄膜R-T曲線(xiàn)的簡(jiǎn)易裝置，兼顧到測(cè)量的低成本、簡(jiǎn)易便攜、高效測(cè)量的要求，力求更加便捷、高效地測(cè)量薄膜的溫阻特性。為進(jìn)一步驗(yàn)證本裝置的有效性，利用VO2納米薄膜進(jìn)行溫阻特性的測(cè)試。VO2是典型的相變材料，其接近室溫的相變溫度(～68 ℃)使其廣泛應(yīng)用于閾值開(kāi)關(guān)[6]、傳感器[7]、智能窗[8]和能源電池[9]等領(lǐng)域；當(dāng)溫度升至相變溫度時(shí)，薄膜從低溫時(shí)的絕緣相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貢r(shí)的金屬相，并伴隨著熱力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的突變，其R-T曲線(xiàn)呈現(xiàn)出典型的“熱滯”現(xiàn)象，對(duì)該曲線(xiàn)的測(cè)量是深入研究其相變機(jī)理與實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，考慮到溫度測(cè)量的滯后性，對(duì)不同加熱功率對(duì)VO2相變曲線(xiàn)的影響進(jìn)行了測(cè)量與分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 測(cè)量原理

以固定功率加熱樣品臺(tái)到一定溫度，再自然降溫，在此過(guò)程中，通過(guò)電阻與溫度傳感器按固定時(shí)間間隔實(shí)時(shí)采集薄膜表面的溫度與電阻，利用Origin軟件進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，再以時(shí)間為媒介，建立溫度與電阻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得薄膜樣品的溫阻特性，即R-T曲線(xiàn)。

1.2 裝置組成

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由樣品臺(tái)、探針架、電阻與溫度測(cè)量系統(tǒng)以及控溫系統(tǒng)組成，其中，樣品臺(tái)由導(dǎo)熱性能良好的黃銅材質(zhì)制成，測(cè)量時(shí)薄膜樣品放在銅臺(tái)上，通過(guò)導(dǎo)熱膏增加樣品與銅臺(tái)的熱接觸；樣品臺(tái)上設(shè)計(jì)一個(gè)中空螺紋桿，結(jié)合固定螺母可以固定探針架并調(diào)節(jié)探針架的上下位置，從而保持探針與樣品表面的良好接觸；中空螺桿可以?xún)?nèi)置加熱棒，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品臺(tái)的升降溫過(guò)程。同時(shí)，電阻探針與溫度傳感器固定在探針架上，前者具有6 mm的彈性伸縮長(zhǎng)度，以保證探針與樣品表面在壓力下的密切接觸；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)與電腦通信直接采集。另外，加熱棒與電源中間通過(guò)調(diào)壓器連接，調(diào)壓器可以改變輸出的電壓，從而調(diào)節(jié)樣品的加熱功率，降低溫度測(cè)量滯后性的影響。

1-加熱棒，2-中空螺紋桿，3-固定螺母，4-探針架，5-電阻探針，

探針架由聚四氟乙烯材料制成，具有絕緣、隔熱的特點(diǎn)，在上面設(shè)計(jì)貫通的安裝孔用來(lái)安裝電阻探針與溫度探頭。其中，3個(gè)安裝孔為一組，其中兩個(gè)用來(lái)安裝電阻探針；一個(gè)安裝溫度探頭?；谝郧暗膱?bào)道，樣品的溫度特性通過(guò)升降溫過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，而該過(guò)程非常耗時(shí)，如果能在一次升降溫中實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品的同時(shí)測(cè)量，無(wú)疑會(huì)大大提高測(cè)量的效率?；诖?，在探針架上共設(shè)計(jì)了6組探針孔，全部安裝探針后可以實(shí)現(xiàn)一次加熱過(guò)程中可同時(shí)測(cè)量6塊樣品?？紤]到測(cè)量過(guò)程中樣品表面的散熱波動(dòng)，設(shè)計(jì)了輻射防護(hù)罩，內(nèi)貼鋁箔，使得測(cè)量過(guò)程更加穩(wěn)定，降低因環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，這對(duì)于薄膜表面穩(wěn)定的溫度測(cè)量是至關(guān)重要的。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)制備二氧化釩的方法有很多，包括溶膠-凝膠法、磁控濺射法、化學(xué)沉積法、直流濺射法和水熱法等[10-14]。本測(cè)試所用的薄膜樣品采用溶膠-凝膠法制備，結(jié)合后續(xù)的退火工藝完成。具體以三異丙醇氧釩為溶質(zhì)，異丙醇和冰醋酸為溶劑按一定比例混合制成[15]。

使用本裝置對(duì)上述樣品的R-T曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)加熱功率為4.0 W時(shí)，得到薄膜電阻隨溫度的變化趨勢(shì)如圖2(a)所示?？梢钥闯?，其相變前后電阻變化高達(dá)3個(gè)量級(jí)，顯示薄膜具有良好的相變特性；同時(shí)，注意到曲線(xiàn)具有明顯的“熱滯”現(xiàn)象，與文獻(xiàn)中報(bào)道的VO2特性基本一致[8]。為更準(zhǔn)確地對(duì)薄膜的相變參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)薄膜電阻先取對(duì)數(shù)后再求導(dǎo)，得到其微分曲線(xiàn)如圖2(b)所示。取斜率最大溫度點(diǎn)為相變溫度，可以看出薄膜升溫與降溫時(shí)的相變溫度分別為64.8 ℃與60.2 ℃，相變寬度為兩者之差4.6 ℃，平均相變溫度為62.5 ℃，與文獻(xiàn)[8,15]中報(bào)道結(jié)果類(lèi)似。同時(shí)，還注意到圖2(a)中A處存在著一個(gè)小的波動(dòng)，這可能與VO2從M相向R轉(zhuǎn)變過(guò)程中出現(xiàn)的中間相(M2相)有關(guān)[16-17]。

(a) 相變曲線(xiàn)>

由于熱量傳遞需要時(shí)間，因此，溫度測(cè)量存在一定的滯后性；理論上講，加熱功率越低，溫升越慢，溫度滯后的影響越小，也就越能測(cè)量出更細(xì)微的變化趨勢(shì)。為進(jìn)一步研究加熱功率對(duì)R-T曲線(xiàn)的影響，改變加熱棒的輸出功率分別為0.2、0.9與4.0 W，得到對(duì)應(yīng)的R-T曲線(xiàn)與微分曲線(xiàn)如圖3所示。從圖3(a)可以看出，熱滯回線(xiàn)左側(cè)的降溫曲線(xiàn)基本重合，這與3次降溫過(guò)程都是自然降溫有關(guān)；這一點(diǎn)在圖3(b)中也得到體現(xiàn)，其降溫時(shí)的相變溫度都約為60.2 ℃。觀(guān)察圖3(a)中的升溫曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)0.2與0.9 W的曲線(xiàn)基本重合，但在A(yíng)和B處還是存在著細(xì)微的差別。很明顯，0.2 W對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)更加精細(xì)，而0.9 W對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)僅表達(dá)了大致的趨勢(shì)。這說(shuō)明：升溫功率越高，采樣點(diǎn)減小，越不易測(cè)量到細(xì)微結(jié)構(gòu)。比較而言，0.2 W的測(cè)量參數(shù)可以得到更加準(zhǔn)確的R-T曲線(xiàn)。同時(shí)，在圖3(b)中，還觀(guān)察到4.0 W的升溫曲線(xiàn)明顯出現(xiàn)向低溫側(cè)的偏移，偏移量約為0.8 ℃。說(shuō)明這種情況下溫度測(cè)量的滯后性影響已開(kāi)始顯現(xiàn)，據(jù)此測(cè)量會(huì)在一定程度上影響測(cè)量的相變溫度與相變寬度，位于A(yíng)與B處的曲線(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu)更是無(wú)法測(cè)得。綜上，小功率加熱有利于測(cè)量誤差的減小，選擇適當(dāng)?shù)募訜峁β蕦?duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量是非常重要的；4.0 W的測(cè)量可以反映R-T曲線(xiàn)的大致趨勢(shì)，但升溫線(xiàn)有一定偏移，0.9 W的測(cè)量結(jié)果更穩(wěn)定，0.2 W的測(cè)量更精確，可以測(cè)量到曲線(xiàn)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。總之，通過(guò)使用本裝置能夠很好地反映VO2薄膜電阻隨溫度的變化關(guān)系，準(zhǔn)確反映其相變特征；另外適當(dāng)降低加熱功率可以有效減小熱滯后的影響，顯著提高測(cè)量的精度。

(a) 相變曲線(xiàn)>

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量半導(dǎo)體薄膜R-T曲線(xiàn)的簡(jiǎn)易裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便與測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很大程度上滿(mǎn)足教學(xué)與科研需求。通過(guò)對(duì)VO2薄膜相變曲線(xiàn)的測(cè)量，證明該裝置測(cè)量的有效性與可操作性，相比4.0 W與0.9 W的加熱功率，0.2 W的加熱功率能很好地降低熱滯后影響，得到R-T曲線(xiàn)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。