PDF《基于 AZO/VO2 /AZO 结构的电压诱导相变红外光调制器》

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 248102-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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248102 膜之间的应力, 最终制备了 Pt-SiO2/VO2-Au 三明 治结构, 在垂直膜面方向施加电压, 观察到明显的 电流突变. Lee 等[16] 探究了 VO2/Al2O3 复合薄膜 的相变特性, 通过外加电压, 形成了局部传导区域, 局部电流产生的焦耳热使薄膜发生半导体 -金属相 变. 熊瑛等 [17] 以超薄 Al2O3 为过渡层, 在硅半导 体基片上制备了 VO2 薄膜, 以此为基础构建了平 面二端器件并测试了其 I-V 特性曲线, 观测到大幅 度的电流变化. 他们都研究了 VO2 电致相变的电 学特性, 但并没有深入探究电致相变前后的光学特 性. Markov 等[18] 制作了 Si/VO2 混合电光调制器 件, 通过电压和热激励的共同作用导致VO2 相变来 对光进行调制, 在波长为 1400―1600 nm 有良好的 电光调制作用, 但器件结构较复杂, 制备难度大. 为了更深入地探究 VO2 的电致相变特性及 光学特性, 本文选用掺 Al 氧化锌 (AZO) 导电玻 璃为基底, 采用直流磁控溅射和后退火工艺制 备了高质量的 VO2 薄膜, 研究了 VO2/AZO 复合 薄膜的光电特性, 并在此基础上制备了垂直式 AZO/VO2/AZO 三明治结构, 探讨了在电激励下 其对光的调制特性.

2 实验AZO/VO2/AZO结构示意图如图

1 所示, 基底 为2 cm *

2 cm的方形AZO透明导电玻璃, AZO膜 厚为

350 nm. AZO 薄膜是一种电阻率低、 光透过 率高的透明导电氧化物 (TCO) 薄膜, 可以作为光 调制器的电极, 且其制备原料易得, 制作工艺简单, 稳定性好, 晶体结构比较单一 [19,20] , 且有助于 VO2 薄膜的取向生长 [21,22] , 以便最终制备出高质量的 VO2 薄膜. 红外光调制器采用三明治结构, 上下两 层都为 AZO 薄膜, 中间是一层连续致密的 VO2 薄膜. 为了方便实现电致相变特性的测试, 在该结构 上制作了金属 Pt 电极连接点. 当电压垂直加在三 明治结构上下两层电极上, 电流通过 VO2 和AZO 薄膜, 达到阈值电压时, VO2 会发生相变, 其光学 特性也会发生突变, 以此达到对光的调制作用. 本实验中 VO2 薄膜的制备采用 JC500-3/D 型 磁控溅射镀膜机 (配有 FTM-V 型薄膜厚度检测 仪), 先以 AZO 透明导电玻璃为衬底, 清洗衬底后 利用直流磁控溅射的方法制备

200 nm 厚的金属 钒薄膜. 溅射靶材为纯度 99.9% 的圆柱形金属钒 靶, 直径

120 mm, 高5mm. 溅射气体采用纯度为 99.999% 的高纯氩气, 氩气流量由气体质量流量计 来控制. 溅射电压为

400 V, 溅射电流为

2 A, 溅射 压强为 3.6 * 10?1 Pa. 钒金属薄膜制备完成后, 将 样品放入 SX2-4-10 箱式退火炉中进行热氧化退火, 退火在空气中进行, 温度控制在380―420 ? C 之间, 时间控制在 2―4 h 之间. 将退火后的薄膜样品进 行测试比较, 发现最佳退火温度为

400 ? C, 最佳退 火时间为 3.5 h. 三明治结构中顶层 AZO 薄膜的制 备采用射频溅射的方法, 溅射靶材由纯度 99.99% 的Al2O3 和99.99% 的ZnO 粉末混合烧结而成, 其中Al2O3 的掺量为 3%(质量分数). 利用光刻和刻 蚀工艺制备Pt电极连接点. 图1AZO/VO2/AZO 三明治结构示意图 Fig. 1. Schematic of AZO/VO2/AZO sandwiched structure. 实验样品的结晶状态和相组成用 DX-2700 多 功能 X 射线衍射仪 (XRD) 进行测量, 样品的表面 形貌及表面粗糙度用 PSIA 生产的 XE-100 型原 子力显微镜 (AFM) 表征. 采用美国 PHI5000C- ESCA 型X射线光电子能谱仪 (XPS) 定性分析样 品表面的元素及价态分布, 测试靶材为镁, 高压14.0 kV, 功率