Tunna filmer (100-1000 Å) av vanadin koldioxid (VO2) skapades av atomlager nedfall (ALD) på safir substrat. Efter detta präglades de optiska egenskaperna genom metall-isolator övergången av VO2. Från de uppmätta optiska egenskaperna skapades en modell för att beskriva avstämbara brytningsindex för VO2.
Vanadin koldioxid är ett material som har en vändbar metall-isolator fas ändra nära 68 ° C. För att växa VO2 på en mängd olika substrat, med wafer-skala enhetlighet och Ångström nivå kontroll av tjocklek, valdes metoden för atomlager nedfall. Denna ALD process möjliggör hög kvalitet, låg temperatur (≤150 ° C) tillväxt av ultratunna filmer (100-1000 Å) VO2. För denna demonstration odlades VO2 filmerna på safir substrat. Denna låg temperatur tillväxt teknik producerar mestadels amorft VO2 filmer. En efterföljande glödgning i en ultrahög vakuumkammare med ett tryck på 7 x 10-4 Pa ultrahög renhet (99,999%) syre produceras orienterade, polykristallina VO2 filmer. Den kristallinitet, fas och stam av VO2 bestämdes av Raman-spektroskopi och röntgendiffraktion, medan stökiometri och orenhet nivåerna bestämdes genom röntgen fotoelektronen spektroskopi, och slutligen morfologi bestämdes av Atomic force microscopy. Dessa data visar den hög-kvaliteten filmer ökat med denna teknik. En modell har skapats för att passa i data för VO2 i dess metalliska och isolerande faser i den nära infraröda spektrala-regionen. De Dielektricitetskonstant och brytningsindex av ALD VO2 överens bra med de andra metoderna som tillverkning i dess isolerande fas, men visade en skillnad i dess metalliskt tillstånd. Analysen av filmernas optiska egenskaper aktiverad slutligen, skapandet av en våglängd – och temperatur-anhörigen modell av komplexa optiska brytningsindex för att utveckla VO2 som avstämbara brytningsindex material.
Vanadin koldioxid genomgår en kristallin fasövergång nära 68 ° C. Detta producerar en strukturell crystal ändring från monoklina tetragonal. Beskärningen av denna övergång är fortfarande kontroversiella1, men nyare forskning är hjälper till att utveckla en förståelse för de processer som producerar denna övergång2,3,4 . Oavsett ursprung ändras fas övergången i de optiska egenskaperna av VO2 från en isolator (sänder ljus) vid rumstemperatur till en mer metalliskt material (reflekterar och absorberar ljus) ovanför den övergång temperatur2 .
Olika metoder har använts för att tillverka VO2 tidigare (sputtring, fysisk förångningsdeposition, kemisk förångningsdeposition, molekylärt stråla epitaxyen, lösning, etc.) 5. egenskaperna hos VO2 till stor del beror på den teknik som används för att tillverka filmerna6, som har producerat betydande variabilitet mellan olika tillväxt tekniker och efterföljande glödga och lett till varierande kristallinitet och film egenskaper. Detta arbete undersöker optiska egenskaperna för atomlager deponeras (ALD) vuxit filmer, men metoden är tillämplig på modellering alla typer av VO2 filmer.
Nyligen, grupper konstruerar optiska enheter genom att införliva tunna filmer av VO2 på optiska substrat. Som en snabbt växande nya nedfall metod, ALD kan hjälpa tillverka dessa optiska enheter och har flera fördelar jämfört med alternativa tekniker, såsom stora ytor enhetlighet, Ångström nivå tjocklek kontroll och conformal film täckning7 ,8,9. ALD är rekommenderad teknik för applikationer som kräver en självbegränsande lager-för-lager nedfall strategi, tillverkning på en mängd olika substrat material (t.ex., för heterogena integration), eller conformal beläggning av 3D-strukturer10 . Slutligen är conformal beläggning av 3D-strukturer av ALD processen särskilt användbart i optiska tillämpningar.
För experiment i detta papper, ultratunna, amorft ALD filmer odlades på dubbel-sida-polerad, c-plan safir substrat vid låga temperaturer och glödgas i syremiljö att producera högkvalitativa kristallina filmer. Använder de experimentella mätningarna, skapas en modell för temperatur och våglängd beroende optiska ändringar i VO2 aktivera dess användning som en avstämbara brytningsindex material11.
Tillväxt metoderna som beskrivs här ger reproducerbara resultat när det gäller enhetlighet, kemi, struktur och morfologi. Vanadin föregångaren är kritisk till att producera de rätta stökiometri av som-deponeras ALD filmer. Denna särskilda föregångare främjar + 4 vanadin valence staten, till skillnad från många av de andra som anges i den litteratur som främjar tillståndet vanligare + 5 valence. Dessutom, detta särskilt föregångare har en relativt låga ångtryck och kräver värme att ge en tillräcklig dos för att mätta enligt de villkor som anges. Eftersom denna föregångare börjar försämra runt 175 ° C, anger detta en övre temperaturgräns till både uppvärmning av föregångare och ALD tillväxt. En annan viktig aspekt att uppnå rätt stökiometri är ozonkoncentrationen (här ~ 125 mg/L) under dosering. Ofta koncentrationen av ozon produceras av en generator under särskilda förhållanden försämrar eller sänker sig över tid. Om detta händer, ozon pulsen och laxermedel varaktighet kommer att justeras för att upprätthålla stökiometri, morfologi, och wafer enhetlighet. Vad som beskrivs här är hur man odlar ALD VO2 på c-plan safir substrat, vilket inkluderar in situ – ozon förbehandling. Stegen före tillväxt för rengöring och kärnbildning är beroende av substratet; dock processen beskrivs här fungerar för de flesta underlag (inert, oxider, metaller, etc.) För att avgöra de bästa uppsägning rengöring och förberedelse för VO2 tillväxt, bör man överväga reaktivitet mellan arter uppsägning och vanadin föregångaren samtidigt minimera alla infödda oxid på substratet. Slutligen, denna process har visats på hög höjd/breddförhållande substrat (upp till ~ 100) men för extrema fall, bör man överväga en exponering eller en statisk ALD metod att förbättra conformality ytterligare.
Förmågan att uppnå hög kvalitet, kristallint ALD VO2 filmer är ganska beroende av parametrarna efter nedfall glödgning. Den mest kritiska aspekten är trycket, speciellt partialtrycket av syre. Hög syre pressar leda till fasettering och säd tillväxt, så småningom orsakar nanotråd formation, som resulterar i V2O5 fas. Om syre trycket är för lågt, är syre glödgas ur filmerna vilket resulterar i V2O3 fas. Således, för att upprätthålla den rätta fasen och minimera film strävhet, syre trycket bör bibehållas i spänna av 1 x 10-4 till 7 x 10-4 Pa. Likaså, temperaturen är kritiska till både att kunna kristallisera filmen, underhålla stökiometri och minimera uppruggning av filmen. Även temperaturen på VO2 filmen är svår att mäta, tyder empiriska fynd på att kristallisering kräver scenen temperaturer överstiger 500 ° C. Vid högre temperaturer är det svårare att upprätthålla rätt stökiometri och fas och producera pinhole gratis filmer. Det finns också en avvägning mellan temperatur och glödgningen tid, särskilt högre temperaturer kan minska tid som glödgningen. Dessutom är glödgningen varaktighet direkt knuten till tjockleken på filmen. Tjockare filmerna kräver längre tid att uppnå maximal kristallisering. Därmed den syre pressar, glödga temperatur och glödga tid beskrivs i metoderna ovan var optimerad för att producera högkvalitativa VO2 filmer som uppvisar den största förändringen i optiska egenskaper vid en nästan perfekt övergång temperatur. Slutligen den rampning och kyla priser under syre glödga har en effekt på ojämnheter och morfologi; desto långsammare dessa är, ju jämnare filmerna.
ALD nedfall och efterföljande glödga VO2 producerar orienterade polykristallina filmer med stort område enhetlighet. ALD erbjuder conformally odlade filmer på tredimensionella nanoskala morfologier på nästan alla underlag. Detta gör VO2 integrering i nya tillämpningar, och är särskilt väl lämpad för optiska enheter.
Efter tillväxt och optiska mätningar, en modell skapas som ger en bra passform till data för båda transmittans och reflektans av VO2 i dess metalliska och isolerande faser i den nära infraröda spektrala-regionen (R2 = 0,96-0,99). Reflektansen av infraröd isolerande fasen är den mest utmanande processen att skapa denna modell. Ytterligare oscillator villkor har lagts till, men denna ökade modell komplexitet, endast marginellt förbättra passformen i denna region. Det bör noteras att överlagring av Lorentz oscillatorer i denna modell är en vanlig optisk modell och inte nödvändigtvis motsvarar specifika elektroniska övergångar. Inledningsvis modellerna ingår en Drude term, dock efter matematisk optimering, den Drude benämna var huvudsakligen elimineras. Därför undersöktes flera tekniker för minimering. Dock konvergerade dessa olika tekniker på liknande lösningar som inte innebär en Drude term. Avsaknad av en Drude term i ALD VO2 kan bero på ett antal faktorer, såsom 1) dopade-halvledare-liknande resistivitet, eller (2) en plasma frekvens Skift till lägre energier och/eller stor sammanstötning (dämpning term), i samförstånd med metalliska egenskaper av dessa filmer.
I den isolerande fasen, T < 60 ° C, Dielektricitetskonstant och brytningsindex av ALD VO2 håller väl med de andra fabrication metoderna (finfördelat4,20,21 och Pulsade-laser nedfall22 23). I metalliska staten, T > 70 ° C, filmerna ALD uppvisar lägre förlust än VO2 tillverkas genom andra metoder. Det är viktigt att notera att medan olika framställningsmetoder producera något olika värden för Dielektricitetskonstant och brytningsindex för VO2, alla filmer visar liknande tendenser.
Modellen i detta papper av temperatur och våglängd beroendet av optiska Dielektricitetskonstant och brytningsindex stämmer väl överens med de experimentellt uppmätta data. Denna modells förmåga att producera en god kvalitet som passar till uppmätta optiska data visar det kan tillförlitligt förutsäga VO2 optiska egenskaper som fasen ändras från en isolator till en metall. Med hjälp av dessa modeller, kan VO2 optiska egenskaper vara förutsägbart trimmad av temperatur, tjocklek och våglängd att utforma optiska system som statiska och dynamiska mål. Dessa modeller aktivera design och utveckling av optiska system med VO2 i aktiva och passiva system genom att ändra filmens tjocklek samt temperatur.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av kärna program 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 |