一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜的方法，在一定厚度的SiO2/Si、Si3N4/Si、硅、石英和蓝宝石等实验基片上，采用气‑固方式生长。实验基片生长面经过严格的抛光处理，将反应源五氧化二钒粉末均匀的放置在石英舟底部，再将实验基片放入到石英舟里，基片生长面朝下放置。在管式炉真空环境中通过控制升温速率、温度、气压以及气体流量大小和反应时间制备得到大面积单晶二氧化钒薄膜。采用这种方法制备出来的大面积单晶二氧化钒薄膜比一般的二氧化钒薄膜其性能优异很多，而且工艺简单、成膜质量高；制备出的单晶二氧化钒薄膜绝缘体‑金属相变后，电导率变化幅度达到4～5个数量级，是一种单晶材料的薄膜，在光电、红外、气体传感等方面具有广泛的应用前景。

A method for growing large area monocrystal two vanadium oxide thin film by using tube furnace

The invention discloses a method for growing a large area monocrystal two vanadium oxide film by a tube furnace at a certain thickness of SiO

【技术实现步骤摘要】
一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法
本专利技术涉及一种氧化物半导体材料生长方法,尤其涉及一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法。
技术介绍
二氧化钒是一种具有独特性质的过渡金属氧化物，在340K左右会出现绝缘体向金属态的热致相变。二氧化钒的这种相变不仅可以通过加温来实现，通过其他诸如光照，加电场等方式都有可能引发。具有热致相变特性的二氧化钒薄膜在激光防护、超快开关和红外热成像方面具有潜在的应用价值，因而二氧化钒薄膜被形象的称为“智能薄膜”。一般二氧化钒薄膜材料制备方法主要有真空蒸镀法、溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积和脉冲激光沉积等。日本武藏野电气通信实验室用脉冲激光沉积法在TiO2衬底上制备得到二氧化钒薄膜；美国韦伯斯特研究中心采用磁控溅射法在不同氧压下制得不同化学计量比的二氧化钒±x系列薄膜。这些制备方法工艺较成熟，可生长薄膜面积大，且薄膜厚度可控，但这些薄膜均为多晶结构的薄膜，其相变时电阻率变化一般只能达到2～3个数量级，电学与光学方面的性能因而也受到影响。
技术实现思路
针对传统方法制备的二氧化钒薄膜材料在性能方面的不足，本专利技术提出了一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜的方法，以解决上述
技术介绍
中的缺点。为解决上述技术问题，本专利技术的一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法，采用管式炉生长二氧化钒薄膜，该管式炉包括管式炉控制系统和石英管，石英管一端为进气口，进气口的管路上设置真空计，石英管内放入实验基片和石英舟，实验基片和石英舟中放入五氧化二钒粉末，石英管另一端为出气口。实验基片选用SiO2/Si、Si3N4/Si、硅、石英或蓝宝石。实验通过控制生长时的升温速率、保持温度、降温速率以及气体流量来实现。在本专利技术中，实验基片生长面需经过抛光处理；实验中所用的五氧化二钒粉末纯度为99.99％，且无结晶颗粒；实验中所用到的载气为氩气，其纯度为99.9999％。一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法，具体步骤如下：(1)将实验基片和石英舟分别用丙酮、无水乙醇各超声清洗，确保实验基片和石英舟表面干净，无油脂和污染物；采用溶剂清洗实验基片和石英舟，除掉油脂和氧化物，丙酮也可用异丙醇来代替。(2)在步骤(1)中获得的实验基片和石英舟中放入五氧化二钒粉末，并按次序放入到石英管内，每次实验需要用到三个石英舟，第一个石英舟放置石英管的内侧温区中间；第二个石英舟放置于石英管的外侧温区中间；第三个石英舟放置于第二个石英舟的上游距离其5～10mm。五氧化二钒粉末均匀的放置在石英舟里，实验基片放入到第一个和第二个石英舟内，实验基片生长面朝下放置，实验基片的高度与下面的粉末距离1～3mm，其中第三个石英舟上不放置基片；第三个石英舟内是没有实验基片的只放粉末，第二个石英舟内的粉末非常少，以防止粉末过多影响生长到基片表面的薄膜的质量，第三个石英舟的粉末稍微比第一个舟多一点，因为第三个石英舟没有单独的放置粉末舟，所以为了提供第三个石英舟上基片一个好的生长薄膜的环境粉末稍微多一点。(3)在步骤(2)中放置好的石英舟后，对石英管进行封腔，抽真空至50～80mTorr，然后通入氩气，流量为5～20SCCM，将外侧温区和内侧温区的温度升到800～1000℃，用时40～100分钟，通过观察升温过程中石英管内气压的变化及时调节抽真空口的气压阀，使其石英管内气压控制在200～900mTorr的范围内，控制升温速率在10～20℃/min，温度达到800～1000℃后进行温度保持，保持时间为180～360分钟，然后控制降温速率1～2℃/min，当温度显示低于30℃后打开石英管，取出实验基片。第一个石英舟放有的五氧化二钒粉末、第二个石英舟放有的五氧化二钒粉末和第三个石英舟里放有的五氧化二钒粉末的质量比为1.5～3：1～2：1.5～6。外侧温区和内侧温区温度分别从室温升到900～1000℃和800～900℃。根据每次实验中可能用到不同的实验基片，将需高温生长的基片放到外侧温度，将需要低温生长的基片放到内侧温区。通常管式炉都用于二氧化钒纳米线的生长，而本专利技术通过调节五氧化二钒粉末用量、基片放置位置、升温速率、温度保持时间、降温速率、载气流量等影响因素，实现了大面积单晶二氧化钒薄膜生长。这种生长与所采用的原料五氧化二钒粉末、基片放置位置、生长温度等都密切相关。实验过程中石英管内的压强及选用基片类型不同对生长薄膜的尺寸也有影响，这与晶体表面结构及生长速率有关。本专利技术的有益效果：1、本专利技术生长的二氧化钒薄膜，当升高温度达到相变点后，产生明显的电阻突变特性，能达到4～5个数量级的变化；2、本专利技术生长的二氧化钒薄膜的成膜率高，由于表面空隙较小，载流子输运效率更高，从而有利于提高材料光电性能；3、本专利技术生长的二氧化钒薄膜采用管式炉生长得到，生长设备简单、制备工艺成熟、重复性好、成本低，生成的薄膜厚度适宜、均匀性好、可控性强，从而有利于材料的产业化和推广应用。附图说明图1为本专利技术的二氧化钒薄膜用管式炉的结构示意图。图2为本专利技术二氧化钒薄膜生长过程中实验基片在石英管内的位置和粉末位置示意图。图3为利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜加热工艺流程图。图4为本专利技术在1000nmSiO2/Si基片上生长的二氧化钒薄膜扫描电子显微镜图。图5为本专利技术在200nmSi3N4/Si基片上生长的二氧化钒薄膜扫描电子显微镜图。图6为本专利技术在硅基片上生长的二氧化钒薄膜扫描电子显微镜图。图7为本专利技术二氧化钒薄膜的电阻随温度的变化曲线图。图8为本专利技术二氧化钒薄膜的电阻随温度的变化X射线衍射图。图中，1、进气口，2、真空计，3、石英管，4、石英舟，5、出气口，6、管式炉控制系统，7、五氧化二钒粉末，8、实验基片。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的保护范围的限定。如图1所示，本专利技术的一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法，采用管式炉生长二氧化钒薄膜，该管式炉包括管式炉控制系统6和石英管3，石英管3一端为进气口1，进气口1的管路上设置真空计2，石英管3内放入实验基片8和石英舟4，实验基片8和石英舟4中放入五氧化二钒粉末7，石英管3另一端为出气口5。实验基片8选用SiO2/Si、Si3N4/Si、硅、石英或蓝宝石。实验通过控制生长时的升温速率、保持温度、降温速率以及气体流量来实现。在本专利技术中，实验基片生长面需经过抛光处理；实验中所用的五氧化二钒粉末纯度为99.99％，且无结晶颗粒；实验中所用到的载气为氩气，其纯度为99.9999％。实施例1如图1所示，二氧化钒薄膜的生长在严格封闭的石英管3内完成，在石英管3两端分别是进气口1和出气口5；实验的升温和降温速率由管式炉控制系统6来设定；为了制备高质量的单晶二氧化钒薄膜，在管式炉开始加热前，对石英管3内充入1～2次氩气，然后又让其抽至真空状态。一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法的方法，其包括以下步骤：选用基片尺寸为10×10mm2的SiO2/Si实验基片8，此实验基片8是以硅为衬底在其表面生长了一层500～1000nmSiO2薄膜；先对所用SiO2/Si实验基片8进行清洗，将实验基片8放入清洗花篮中，把实验基片8插入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)将实验基片和石英舟分别用丙酮、无水乙醇超声清洗，确保实验基片和石英舟表面干净，无油脂和污染物；(2)在步骤(1)中获得的实验基片和石英舟中放入五氧化二钒粉末，并按次序放入到石英管内，每次实验需要用到三个石英舟，第一个石英舟放置石英管的内侧温区中间；第二个石英舟放置于石英管的外侧温区中间；第三个石英舟里放置于第二个石英舟的上游；五氧化二钒粉末均匀的放置在石英舟里，实验基片放入到第一个和第二个石英舟内；(3)在步骤(2)中放置好的石英舟后，对石英管进行封腔，抽真空至50～80mTorr，然后通入氩气，流量为5～20SCCM，将外侧温区和内侧温区的温度升到800～1000℃，用时40～100分钟，调节抽真空口的气压阀使其石英管内气压控制在200～900mTorr的范围内，控制升温速率在10～20℃/min，温度达到800～1000℃后进行温度保持，保持时间为180～360分钟，然后控制降温速率1～2℃/min，当温度显示低于30℃后打开石英管，取出实验基片。

【技术特征摘要】
1.一种利用管式炉生长大面积单晶二氧化钒薄膜方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)将实验基片和石英舟分别用丙酮、无水乙醇超声清洗，确保实验基片和石英舟表面干净，无油脂和污染物；(2)在步骤(1)中获得的实验基片和石英舟中放入五氧化二钒粉末，并按次序放入到石英管内，每次实验需要用到三个石英舟，第一个石英舟放置石英管的内侧温区中间；第二个石英舟放置于石英管的外侧温区中间；第三个石英舟里放置于第二个石英舟的上游；五氧化二钒粉末均匀的放置在石英舟里，实验基片放入到第一个和第二个石英舟内；(3)在步骤(2)中放置好的石英舟后，对石英管进行封腔，抽真空至50～80mTorr，然后通入氩气，流量为5～20SCCM，将外侧温区和内侧温区的温度升到800～1000℃，用时40～100分钟，调节抽真空口的气压阀使其石英管内气压控制在200～900mTorr的范围内，控制升温速率在10～20℃/min，温度达到800～1000℃后进行温度保持，保持时间为180～360分钟，然后控制降...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜毅，邹继军，朱志甫，邓文娟，刘云，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36