一种A相或B相二氧化钒薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜的方法，以A相二氧化钒陶瓷靶或B相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，以氩气为溅射气体对所述靶材进行溅射以在衬底上形成A相或B相二氧化钒薄膜，其中沉积温度为350～500℃、沉积全压为0.5～5.0Pa。本发明直接以A相或B相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，通过控制沉积温度、沉积全压等直接制备得到A相或B相二氧化钒薄膜。

权利要求

1.一种磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜的方法，其特征在于，以A相二氧化钒陶瓷靶或B相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，以氩气为溅射气体对所述靶材进行溅射以在衬底上无需退火处理便形成A相或B相二氧化钒薄膜，其中控制背底真空为5～10×10-5 Pa、溅射功率为50～150W，溅射时间为5～300分钟，沉积温度为350～500℃、沉积全压为0.5～5.0Pa。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氩气的纯度为99.99%。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底为钛酸锶STO、铝酸镧LAO、铌镁酸铅－钛酸铅PMN-PT、铝酸锶钽镧LAST、铝酸锶钽钕NSAT、镓酸钕NdGaO3、钪酸钇YScO3、钪酸钬HoScO3、钪酸铽TbScO3、钪酸镝DyScO3和钪酸钆GdScO3中的至少一种。

说明书

一种A相或B相二氧化钒薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于新型无机功能材料领域，具体涉及一种在利用磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜的方法。

背景技术

[0002] 钒的四价氧化物二氧化钒结构种类繁多，已知的结构有金红石相结构(R相)，单斜相结构(M相)，三斜相结构(T相)，以及中间相A相和B相。其中的M相和R相二氧化钒由于可以相互转化，且相变温度接近室温，而受到广泛关注，在智能节能窗等方面具有应用前景。而关于二氧化钒的中间相A相和B相研究相对较少。

[0003] A相二氧化钒VO2(A)是由Theobald首先发现的，之后Oka第一次发现VO2(A)的相变特性，相变温度约为165℃，并给出了VO2(A)在相变前后具体的晶体结构及晶格参数。然而VO2(A)制备困难，目前报道的文献中只有水热合成的方法，并且VO2(A)不稳定，使得制备较纯的VO2(A)更加困难。

[0004] B相二氧化钒VO2(B)结构上由两种不同的[VO6]八面体构成，形成连续的三维锂离子扩散通道，并由于稳定的层间结构为锂离子在快速扩散提供便利，因此VO2(B)广泛应用于锂离子电池的正极材料。关于VO2(B)的研究报道较VO2(A)多，但制备方法也局限在水热等湿化学法上。

[0005] 关于二氧化钒薄膜制备方法的研究自上世纪70年代以来便如雨后春笋般大量出现，在众多的合成方法中，物理磁控溅射法由于具有大规模产业化的前景，产品均匀稳定，重复性强，自动化程度高而备受关注。然而，溅射法制备A相或B相二氧化钒的研究目前还是空白。

发明内容

[0006] 本发明利用A相或B相二氧化钒陶瓷靶磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜，目的在于弥补物理溅射法在制备A相或B相二氧化钒薄膜的空白，丰富功能化合物制备方法。

[0007] 为此，本发明提供了一种磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜的方法，以A相二氧化钒陶瓷靶或B相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，以氩气为溅射气体对所述靶材进行溅射以在衬底上形成A相或B相二氧化钒薄膜，其中沉积温度为350～500℃、沉积全压为0.5～5.0Pa。

[0008] 本发明直接以A相或B相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，通过控制沉积温度、沉积全压等直接制备得到A相或B相二氧化钒薄膜。

[0009] 较佳地，通过对所述靶材进行溅射以直接在衬底上形成A相或B相二氧化钒薄膜而无需退火处理。

[0010] 较佳地，所述氧气纯度为99.99％以上，所述氩气的纯度为99.99％。

[0011] 较佳地，所述衬底为钛酸锶STO、铝酸镧LAO、铌镁酸铅－钛酸铅PMN-PT、铝酸锶钽镧LAST、铝酸锶钽钕NSAT、镓酸钕NdGaO3、钪酸钇YScO3、钪酸钬HoScO3、钪酸铽TbScO3、钪酸镝DyScO3和钪酸钆GdScO3中的至少一种。其中，制备A相二氧化钒薄膜所需衬底可为(110)面钛酸锶STO、(110)面铝酸镧LAO、(110)面铌镁酸铅－钛酸铅PMN-PT、(110)面铝酸锶钽镧LAST、(110)面铝酸锶钽钕NSAT、(110)面镓酸钕NdGaO3、(110)面钪酸钇YScO3、(110)面钪酸钬HoScO3、(110)面钪酸铽TbScO3、(110)面钪酸镝DyScO3、(110)面钪酸钆GdScO3等。制备B相二氧化钒薄膜所需衬底可为(100)面钛酸锶STO、(100)面铝酸镧LAO、(100)面铌镁酸铅－钛酸铅PMN-PT、(100)面铝酸锶钽镧LAST、(100)面铝酸锶钽钕NSAT、(100)面镓酸钕NdGaO3、(100)面钪酸钇YScO3、(100)面钪酸钬HoScO3、(100)面钪酸铽TbScO3、(100)面钪酸镝DyScO3、(100)面钪酸钆GdScO3等。其中钛酸锶为钙钛矿结构，立方晶系，因此(100)面、(010)面、(001)面等效。为统一起见，书写钛酸锶晶面时统一为(100)钛酸锶。

[0012] 较佳地，控制背底真空为5～10×10-5Pa、溅射功率为50～150W，溅射时间为5～300分钟。

[0013] 另一方面，本发明还提供了一种A相或B相二氧化钒薄膜，厚度为5～500nm。

[0014] 本发明所述方法操作简单，容易控制，所得薄膜可用于电池，储氢以及光电开关等方面。

附图说明

[0015] 图1为实施例1制备的B相二氧化钒薄膜的XRD衍射花样；

[0016] 图2为实施例2制备的A相二氧化钒薄膜的XRD衍射花样。

具体实施方式

[0017] 以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

[0018] 本发明直接以A相二氧化钒陶瓷靶或B相二氧化钒陶瓷靶为靶材，以氩气为溅射气体，在沉积温度(衬底温度)200～500℃，沉积全压0.5～5.0Pa下获得A相或B相二氧化钒薄膜。A相二氧化钒陶瓷靶或B相二氧化钒陶瓷靶可分别由A相二氧化钒粉体和B相二氧化钒粉体经热压烧结而成，热压的温度可为550～640，压力可为20～60MPa，A相二氧化钒粉体制备可参考Shidong Ji et al.Synthesis and phasetransition behavior of w-doped VO2(A)nanorods.Journal of the Ceramic Society of Japan.2010,第118卷(第10期),第867-871页.、B相二氧化钒粉体制备多采用水热方法，然而技术路线却可以多样化，例如可采用中国专利B相二氧化钒的制备方法(公开号CN101041464)中所述方法。

[0019] 衬底可选用为钛酸锶STO、铝酸镧LAO、铌镁酸铅－钛酸铅PMN-PT、铝酸锶钽镧LAST、铝酸锶钽钕NSAT、镓酸钕NdGaO3、钪酸钇YScO3、钪酸钬HoScO3、钪酸铽TbScO3、钪酸镝DyScO3、钪酸钆GdScO3中的一种。

[0020] 作为溅射气体的氩气采用高纯气体，例如采用纯度均为99.99％以上的氩气。

[0021] 本发明通过对所述靶材进行溅射以直接在衬底上形成A相或B相二氧化钒薄膜而无需退火处理。其中，控制背底真空可为5～10×10-5Pa、溅射功率可为50～150W，溅射时间可为5～300分钟。。

[0022] 本发明所述磁控溅射制备A相或B相二氧化钒薄膜厚度为5～500nm。其用途包括作为电池，储氢以及光电开关等方面。

[0023] 下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

[0024] 实施例1

[0025] 使用B相二氧化钒陶瓷靶，溅射气体为纯度99.99％的氩气，控制背底真空为1×10-4Pa，沉积温度350℃，沉积全压3.0Pa，溅射功率90W，在(100)面钛酸锶衬底上溅射二氧化钒薄膜80分钟。溅射完成后自然冷却降温。经光学干涉方法可知二氧化钒薄膜厚度为50nm。

[0026] 对获得的薄膜进行X射线衍射表征，结果见附图1。使用X射线衍射为平行光入射模式，θ-2θ扫描。从图中可以看到，获得的样品为B相二氧化钒薄膜，薄膜外延模式为(001)取向外延。图谱中除衬底和B相二氧化钒外无其他杂峰，证明获得的样品物相纯度高。

[0027] 实施例2

[0028] 使用A相二氧化钒陶瓷靶，溅射气体为纯度99.99％的氩气，控制背底真空为8×10-5Pa，沉积温度450℃，沉积全压4.0Pa，溅射功率100W，在(110)面钛酸锶衬底上溅射二氧化钒薄膜100分钟。溅射完成后自然冷却降温。经光学干涉方法可知二氧化钒薄膜厚度为
65nm。

[0029] 对获得的薄膜进行X射线衍射表征，结果见附图2。使用X射线衍射为平行光入射模式，θ-2θ扫描。从图中可以看到，获得的样品为A相二氧化钒薄膜。图谱中除衬底和A相二氧化钒薄膜外无其他杂峰，证明获得的样品物相纯度高。

[0030] 实施例3

[0031] 使用A相二氧化钒陶瓷靶，溅射气体为纯度99.99％的氩气，控制背底真空为5×10-5Pa，沉积温度500℃，沉积全压3.0Pa，溅射功率70W，在(110)面铝酸镧衬底上溅射二氧化钒薄膜120分钟。溅射完成后自然冷却降温。经测试获得的样品为A相二氧化钒薄膜。经光学干涉方法可知二氧化钒薄膜厚度为65nm。

[0032] 实施例4

[0033] 使用B相二氧化钒陶瓷靶，溅射气体为纯度99.99％的氩气，控制背底真空为10×10-5Pa，沉积温度200℃，沉积全压1.0Pa，溅射功率120W，在(100)面钪酸镝(DyScO3)衬底上溅射二氧化钒薄膜200分钟。溅射完成后自然冷却降温。对样品进行表征，证明钪酸镝(DyScO3)(100)方向与VO2(B)相晶格匹配，获得B相二氧化钒薄膜。经光学干涉方法可知二氧化钒薄膜厚度为110nm。

[0034] 实施例5

[0035] 使用B相二氧化钒陶瓷靶，溅射气体为纯度99.99％的氩气，控制背底真空为8×-510 Pa，沉积温度300℃，沉积全压5.0Pa，溅射功率50W，在(100)面铌镁酸铅－钛酸铅衬底上溅射二氧化钒薄膜300分钟。溅射完成后自然冷却降温。对样品进行表征，证明获得B相二氧化钒薄膜。

[0036] 以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在本发明的思想应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。