Tynde film (100-1000 Å) af vanadium kuldioxid (VO2) var lavet af atomic-lag deposition (ALD) på safir substrater. Efter dette, blev de optiske egenskaber karakteriseret gennem metal-isolator overgangen af VO2. Fra de målte optiske egenskaber, blev en model oprettet for at beskrive afstemmelige brydningsindekset af VO2.
Vanadium kuldioxid er et materiale, der har en vendbar metal-isolator fase ændre nær 68 ° C. For at vokse VO2 på en bred vifte af substrater, med wafer-skala ensartethed og Ångstrøm niveau kontrol af tykkelsen, blev metoden for atomic-lag deposition valgt. Denne ALD proces giver høj kvalitet, lav-temperatur (≤150 ° C) vækst af ultratynde film (100-1000 Å) af VO2. For denne demonstration, blev VO2 film dyrket på substrater til safir. Denne lave temperatur vækst teknik producerer det meste amorfe VO2 film. En efterfølgende anneal i en ultra-høj vakuumkammer med et tryk på 7 x 10-4 Pa ultrahøj renhed (99,999%) ilt produceret at orienteret, polykrystallinske VO2 film. Crystallinity, fase og stamme af VO2 var bestemt af Raman spektroskopi og røntgen diffraktion, mens støkiometrisk og urenhed niveauerne blev bestemt af X-ray photoelectron spektroskopi, og endelig morfologi blev bestemt ved atomic force mikroskopi. Disse data viser høj kvalitet film vokset med denne teknik. En model var lavet til at passe til data for VO2 i sin metalliske og isolerende faser i nær infrarøde spektrale område. Permittivitet og brydningsindekset af ALD VO2 aftalt godt med de andre metoder, fabrikation i sin isolerende fase, men viste en forskel i sin metalliske tilstand. Endelig aktiveret analyse af film optiske egenskaber oprettelsen af en bølgelængde og temperatur afhængige model af komplekse optisk brydningsindekset for at udvikle VO2 som en afstemmelige brydningsindeks materiale.
Vanadium kuldioxid gennemgår en krystallinsk fase overgangen nær 68 ° C. Dette producerer en strukturel krystal forandring fra monoclinic til tetragonal. Oprindelsen af denne overgang er fortsat kontroversielt1, men nyere forskning er hjælpe med til at udvikle en forståelse af de processer, der producerer denne overgang2,3,4 . Uanset oprindelse ændres fase overgangen af VO2 fra en isolator (sender lys) optiske egenskaber ved stuetemperatur til en mere metallisk materiale (reflekterende og absorbere lys) over overgangen temperatur2 .
En række metoder har været anvendt til at fabrikere VO2 tidligere (sputtering, fysisk dampudfældning, kemisk dampudfældning, Molekylær stråle epitaxy, løsning, osv.) 5. egenskaberne for VO2 i høj grad afhænge af den teknologi bruges til at fremstille film6, som har produceret betydelig variation mellem forskellige vækst teknikker og efterfølgende anneal og førte til varierende crystallinity og film egenskaber. Dette arbejde undersøger de optiske egenskaber af atomare lag deponeret (ALD) vokset film, men fremgangsmåde er gældende for modellering alle typer af VO2 film.
For nylig, grupper er ved at opbygge optiske enheder ved at indarbejde tynde film af VO2 på optiske substrater. Som en hurtigt voksende nye deposition metode, ALD kan hjælpe med at opdigte disse optiske enheder og har flere fordele sammenlignet med alternative teknikker, såsom store område ensartethed, Ångstrøm niveau tykkelse kontrol og konform film dækning7 ,8,9. ALD er den foretrukne teknik til applikationer, der kræver en selvbegrænsende lag på lag deposition tilgang, fabrikation på en bred vifte af substrat materialer (fx., heterogene integration), eller conformal belægning af 3D strukturer10 . Endelig, conformal overfladebehandling af 3D strukturer af ALD proces er især nyttig i optisk applikationer.
For eksperimenter i dette papir, ultratynde, amorfe ALD film blev dyrket på dobbelt-side-poleret, c-plane safir substrater ved lave temperaturer og udglødet i en ilt miljø til at producere høj kvalitet krystallinsk film. Ved hjælp af de eksperimentelle målinger, er en model skabt for temperatur og bølgelængde afhængige optiske ændringer i VO2 aktivere dets anvendelse som en afstemmelige brydningsindeks materiale11.
De vækst metoder beskrevet her giver reproducerbare resultater med hensyn til ensartethed, kemi, struktur og morfologi. Vanadium forløber er afgørende for at producere de korrekte støkiometrisk som deponeret ALD film. Denne særlig prækursorer fremmer + 4 vanadium valence tilstand, i modsætning til mange af de andre i den litteratur, der fremmer den mere almindelige + 5 valence stat. Derudover denne særlig prækursorer har et forholdsvis lavt damptryk og kræver opvarmning til at give en tilstrækkelig dosis til at mætte på de anførte betingelser. Da dette forløber begynder at forringe omkring 175 ° C, sætter dette en øvre temperaturgrænse til både opvarmning af prækursorer og ALD vækst. Et andet afgørende aspekt for at opnå korrekte støkiometrisk er ozonkoncentration (her ~ 125 mg/L) i løbet af dosering. Ofte koncentrationen af ozon fremstillet ved en generator under særlige betingelser nedbryder eller driver over tid. Hvis dette sker, ozon puls og purge varigheder skal justeres for at opretholde støkiometrisk, morfologi, og wafer ensartethed. Hvad er beskrevet her er hvordan man dyrker ALD VO2 på c-plan safir substrater, som omfatter in situ ozon forbehandling. Trin før vækst for rengøring og Nukleering er afhængig af underlaget; men processen beskrevet her virker for de fleste substrater (inert, nitrogenoxider, metaller, osv.) For at bestemme den bedste afslutning rengøring og klargøring til VO2 vækst, bør man overveje reaktivitet mellem arter opsigelse og vanadium forløber samtidig minimere eventuelle indfødte oxid på underlaget. Endelig, denne proces er blevet demonstreret på høj skærmformat substrater (op til ~ 100) men i ekstreme tilfælde, bør man overveje en eksponering eller statisk ALD metode til at øge conformality yderligere.
Evnen til at opnå høj kvalitet, krystallinsk ALD VO2 film er helt afhængige af post deposition udgloedning parametre. Det mest kritiske aspekt er presset, specielt partialtrykket af ilt. Høj iltkoncentration presser føre til faceting og korn vækst, i sidste ende forårsager Nanotråd dannelse, samt resulterer i V2O5 fase. Hvis ilt-trykket er for lavt, udglødet ilt ud af de film, hvilket resulterer i V2O3 fase. Således, for at opretholde den korrekte fase og minimere film ruhed, ilt pres bør opretholdes i rækken af 1 x 10-4 til 7 x 10-4 Pa. Temperaturen er ligeledes afgørende for både at kunne krystallisere filmen, opretholde støkiometrisk og minimere Afslibning af filmen. Mens temperaturen på VO2 film er vanskelige at måle, tyder empiriske resultater på, at krystallisering kræver fase temperaturer højere end 500 ° C. Ved højere temperaturer er det sværere at opretholde den korrekte støkiometrisk og fase og producere pinhole gratis film. Der er også en trade-off mellem temperatur og anneal tid, specielt højere temperaturer kan reducere tid, anneal. Derudover er anneal varighed direkte bundet til tykkelsen af filmen. Tykkere film kræver længere tid at opnå maksimal krystallisering. Således presset ilt anneal temperatur, og anneal tid beskrevet i de ovenfor metoder var optimeret til at producere høj kvalitet VO2 film, der udviser den største ændring i optiske egenskaber ved en temperatur på næsten ideelle overgang. Endelig ramping og køling priser under ilt anneal har en effekt på ruhed og morfologi; jo langsommere disse er, jo mere jævn film.
ALD deposition og efterfølgende anneal VO2 producerer orienteret polykrystallinske film med stort område ensartethed. ALD tilbyder conformally voksen film på tre-dimensionelle nanoskala morfologier af næsten enhver substrat. Dette gør det muligt for VO2 integration i romanen applikationer, og er især velegnet til optiske enheder.
Efter vækst og optiske målinger, oprettes en model, som giver en god pasform til data for både transmittans og Reflektionsgraden VO2 i sin metalliske og isolerende faser i nær infrarøde spektrale område (R2 = 0,96-0,99). Af den infrarøde isolerende fase reflektionsgrad er den mest udfordrende proces at skabe denne model. Yderligere oscillator vilkår blev tilføjet, men denne øgede model kompleksitet, kun marginalt bedre pasform i denne region. Det skal bemærkes, at superposition af Lorentz oscillatorer i denne model, er en fælles optisk model og svarer ikke nødvendigvis til specifikke elektroniske overgange. I første omgang, inkluderet modellerne en Drude sigt, dog efter matematisk optimering, Drude sigt var stort set elimineret. Af denne grund, blev flere minimering teknikker undersøgt. Men disse forskellige teknikker konvergerede på lignende løsninger, der ikke indebærer en Drude sigt. Fraværet af en Drude sigt i ALD VO2 kan skyldes en række faktorer, såsom 1) dopede-halvleder-lignende resistivitet, eller 2) en plasma frekvens Skift til lavere energier og/eller store kollision sats (dæmpning sigt), efter aftale med metalliske egenskaberne af disse film.
I fasen isolerende, T < 60 ° C, Permittivitet og brydningsindekset af ALD VO2 er enig godt med de andre fabrikation metoder (spruttede4,20,21 og pulserende laser deposition22 23). I tilstanden metallisk, T > 70 ° C, disse ALD film udviser lavere tab end VO2 fabrikeret af andre metoder. Det er vigtigt at bemærke, at mens forskellige fabrikation metoder producerer lidt forskellige værdier for Permittivitet og brydningsindekset af VO2, alle film viser lignende tendenser.
Modellen i dette papir af temperatur og bølgelængden afhængighed af optiske Permittivitet og brydningsindeks enig godt eksperimentelt målte data. Denne model evne til at producere en god kvalitet passer på de målte optiske data viser, det kan pålideligt forudsige af VO2 optiske egenskaber, som fasen skifter fra en isolator til et metal. Ved hjælp af disse modeller, kan af VO2 optiske egenskaber være forudsigeligt tunet af temperatur, tykkelse og bølgelængde kan indrette optiske systemer til at nå mål, statisk og dynamisk. Disse modeller aktiverer design og udvikling af optiske systemer ved hjælp af VO2 i passive og aktive systemer ved at ændre filmens tykkelse samt temperatur.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af centrale programmer på US Naval Research Laboratory.
c-Al2O3 | |||
UHP Oxygen | Air Products | ||
UHP Nitrogen | Air Products | ||
Tetrakis(ethylmethylamido)vanadium(IV) (TEMAV) | Air Liquide | ||
Acetone | Fischer Scientific | A18-4 | |
2-propanol | Fischer Scientific | A416P-4 | |
Savannah S200-G2 | Veeco – CNT | Savannah S200-G2 | |
ozone generator | Veeco – CNT | ozone generator | |
Platinum wire heater | HeatWave Labs | custom |