一种氧化钒复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化钒复合薄膜及其制备方法，其特征在于，该薄膜为氧化钒－富勒烯－碳纳米管三元复合薄膜，即由二维的氧化钒与零维的富勒烯以及一维的碳纳米管三种成分相复合而成。与单纯的氧化钒薄膜、或氧化钒－碳纳米管、氧化钒－富勒烯等两元复合薄膜相比，这种氧化钒－富勒烯－碳纳米管三元复合薄膜能综合三种成分的优点，具备更加优良的电学及光学等性能；而且，通过氧化钒、富勒烯、碳纳米管三种成分之间的比例调节，可以更加灵活、更加准确地控制复合薄膜的性能。采用这种氧化钒－富勒烯－碳纳米管三元复合薄膜作为太赫兹探测器或红外探测器的热敏电阻材料及光吸收材料，能够提高器件的综合性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电探测
，具体涉及一种用于非制冷太赫兹探测器、或非制冷红外探测器的氧化钒复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
太赫兹是指波长范围为3(T3000um的电磁波，具有瞬态性、宽带性、低能性和相干性等独特性质。太赫兹在天文、医学、国防和安检等领域具有广泛的应用前景。其中，太赫兹非制冷(室温)探测是太赫兹应用的重要方面(参见Linda Marchese, Martin Bolduc, Bruno Tremblay, Michel Doucet, Hassane Oulachgar, Lo'ic Le Noc, Fraser Williamson, Christine Alain, Hubert Jerominek, Alain Bergeron, "A microbolometer-based THz imager", Proc. SPIE, 7671，76710Z—8 (2010)文献)。太赫兹的室温探测过程，主要是通过悬浮的微测辐射热计来完成，所以，悬浮的微测辐射热计微桥是影响探测器制造成败及性能高低的关键性因素。微测辐射热计对构造其悬浮微桥的薄膜材料，尤其是器件核心的热敏电阻材料有特殊的要求，体现在相关材料应具有合适的电学、光学等性能。有多种材料可以用作微测辐射热计的热敏材料。其中，氧化钒薄膜具有非常优良的电学性能及光学性能，而且材料的集成度高，是最常用的高性能非制冷探测器热敏电阻材料。1994年2月15日授权的Honeywll公司的Barrett Ε. Cole等人申报的美国专利 USP 5286976,以及文献 H. Jerominek, F. Picard, et al. , "Micromachined uncooled V02-based IR bolometer arrays，，，Proc. SPIE, 2746，60-71 (1996)，分别描述了基于氧化钒热敏电阻薄膜的红外探测器结构。然而，由于钒原子的电子结构为3d34s2，其中的4s及 3d轨道皆可失去部分或者全部电子，所以，传统的氧化钒薄膜的制备方法，例如磁控溅射、 电子束蒸发、激光脉冲沉积等，含有其本身无法克服的缺点即所制备的氧化钒薄膜中V元素的价态复杂、薄膜化学结构的稳定性差等。例如，采用磁控溅射制备氧化钒薄膜时，其中的 V 元素一般包括 0、+2、+3、+4、+5 等多种价态(参见 Xiaomei Wang, Xiangdong Xu, et al.， “Controlling the growth of VOx films for various optoelectronic applications，，， Proceeding of the 2009 16thIEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits, IPFA,ρ 572—576 (2009)文献)。由于 V 元素的组成复杂，制备工艺的微小变化都会对氧化钒薄膜的化学组成产生较大影响，从而使薄膜的电学、光学和力学性能等发生明显变化，进而影响到器件的性能。所以，基于氧化钒薄膜的探测器的一个主要缺点是氧化钒薄膜的制备工艺难度大，产品的重复性和稳定性差。溶胶凝胶法是另外一种制备氧化钒薄膜的方法，文献V.N. Ovsyuk, et al., "Uncooled microbolometer IR FPA based on sol-gel V0X", Proc. SPIE, 5834, 47-54 (2005)，就描述了利用溶胶凝胶法制备用于红外探测器的氧化钒热敏薄膜。溶胶凝胶法的优点是设备简单，而且能够获取价态比较集中的氧化钒薄膜、有利于材料性能的有效控制。 但是，如果没有其它成分的调节，那么，常规的溶胶凝胶法所获取的氧化钒薄膜的电阻值比较大，而且工作温度下还有相变现象，不利于应用在探测器当中。2007年6月13日授权的黄维刚等人申报的中国专利200510020789. 8，描述了一种采用无机溶胶凝胶法对氧化钒进行金属掺杂，以改进相关氧化钒薄膜的性能。该方法首先把V2O5与MoO3相混合，常压下加热到900 °C左右，形成熔融物；然后把熔融物快速倒入水中，加入草酸、NH4F形成无机溶胶。 这种无机溶胶凝胶方法的缺点是(1)溶胶制备的温度过高，影响器件集成；(2)产物中包含大量的非金属杂质F，影响材料性能；(3)所获得的氧化钒的光吸收率较低，不利于吸收探测。这些不足使无机溶胶凝胶法难以直接应用在氧化钒热敏材料的制造中。2002年12月3日授权的NEC公司Toru Mori等人申报的美国专利USP 6489613， 则描述了另外一种改进氧化钒薄膜的溶胶凝胶方法。该专利技术利用有机溶胶凝胶技术，采用钒醇盐(V0(OR)3)作为反应原料，在溶胶状态下往氧化钒中掺入一定量的Cr、Al、Fe、Mn、Nb、 Ta、Ti等金属杂质，经过退火处理形成金属掺杂的氧化钒薄膜，通过掺杂金属量的控制使氧化钒的电阻值、电阻温度系数等电学性能符合探测器的要求。采用有机溶胶凝胶方法，能够获取价态比较集中的氧化钒薄膜，有利于对薄膜的电阻值、相变温度和电阻温度系数等进行有效控制，使之满足探测器的要求。更重要的是，有机溶胶凝胶法的反应温度较低(<200 °C)，有利于降低对器件集成的负面影响。遗憾的是，传统的有机溶胶凝胶法含有一些与无机溶胶凝胶法相同的缺点，包括(1)在非晶衬底上，有机或无机溶胶凝胶法得到的往往是多晶态的氧化钒薄膜，这种多晶薄膜对入射光的漫反射比较严重、噪音高，所以不利于直接应用到探测器中；(2)有机或无机溶胶凝胶法所制备的氧化钒薄膜中金属杂质是物理型掺杂，即其与氧化钒之间不存在化学键的作用，所以这种薄膜还容易发生杂质扩散、偏析等现象，导致氧化钒薄膜的性能发生退变、质量下降，难以满足器件长期运行的需要；(3)有机或无机溶胶凝胶法进行的金属掺杂无法有效地提高氧化钒薄膜的光吸收性能。另一方面，氧化钒的各种V-O化学键(如v=o、o-v-o等)的伸缩振动及弯曲振动的吸收峰都处在中红外区域(约10 μπι)，而在太赫兹范围(3(Γ3000 μ m)，其吸收较弱。所以， 单纯的氧化钒薄膜难以满足灵敏度要求较高的太赫兹探测器的光学要求。考虑到碳纳米管是一种重要的纳米材料、具有优良的电学及光学性能，为此，2010年12月1日公开的许向东等人申报的中国专利技术专利CA 101900607 A，描述了一种氧化钒一碳纳米管复合薄膜及其制备方法。该专利技术利用两维氧化钒及一维碳纳米管各自优良的电学及光学性能，获取综合性能更加优良的氧化钒一碳纳米管复合薄膜、用于非制冷红外探测器当中。其中，复合膜中的碳纳米管呈横向、互联的网状结构。这种横向排布的一维碳纳米管存在一个缺点即一维碳纳米管对光的响应有各向异性。也就是说，碳纳米管的光吸收率随碳纳米管与被检入射光夹角的变化而变化，只有当碳纳米管轴与太赫兹或红外入射光方向相平行时，才能获得最大的光吸收率。这种光响应的各向异性将使同一物体的不同角度测量产生数量级变化的检测信号，给器件制造、信号检测等带来较大困难。也就是说，对于太赫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许向东，何琼，蒋亚东，敖天宏，杨卓，温粤江，黄龙，樊泰君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：