第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

192 / 2020-09-20 17:13:53

氧气百分含量对HiPIMS低温沉积氧化钒薄膜的影响

薄膜、热致变色、二氧化钒、高功率脉冲磁控溅射、低温

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氧气百分含量对HiPIMS低温沉积氧化钒薄膜的影响

张玉琛、陈强、张海宝^*

（北京印刷学院等离子体物理与材料实验室，北京，102600，Email: hbzhang@bigc.edu.cn）



摘要：氧化钒薄膜在光电调制、智能温控、红外探测等方面具有广泛的应用前景，近年来氧化钒薄膜的制备技术及其性能研究一直受到世界各国研究人员的高度关注。高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术具有高峰值功率密度、高电离度和高等离子体密度等特点，可通过调控沉积参数，控制溅射金属靶材的粒子能量，实现低温原位制备薄膜，且薄膜表面平滑致密。本研究采用HiPIMS制备热致变色氧化钒薄膜，并重点研究了氧气百分含量的变化对HiPIMS沉积氧化钒薄膜的影响。采用台阶仪、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等手段表征薄膜的沉积速率、相成分以及表面形貌，采用UV-VIS分光光度仪和四点探针测试仪测定了薄膜的相变特性。主要研究内容与结论如下：

1. 研究了氧气百分含量对薄膜沉积速率的影响。在工作气压0.5 Pa、脉冲电压1000V、频率200 Hz、脉冲宽度100μs的条件下，随着氧气百分含量的增加，薄膜的沉积速率下降，氧气百分含量为9%时，沉积速率下降了约52%，说明出现了明显的靶中毒现象。


2. 研究了氧气百分含量对薄膜相成分的影响。薄膜的XRD谱图表明不同的氧气百分含量对薄膜的相成分及结晶性能有很大影响。XRD谱图表明在氧气百分含量为7%时，薄膜的主要成分为VO₂；XPS谱图表明随着氧气百分含量的增加，钒的化合价从V²⁺变化到V⁵⁺，说明薄膜中V的氧化程度增加。另外，随着氧气百分含量的增加，薄膜的结晶性变差。


3. 研究了氧气百分含量对薄膜相变特性的影响。在氧气百分含量为7%时，薄膜的主要成分为VO₂，随着温度的变化，VO₂薄膜表现出良好的热致变色性能。

关键词：薄膜、热致变色、二氧化钒、高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）、低温

致谢：国家自然科学基金项目（NO.11505013, 11875090），北京市自然科学基金项目（NO.1192008）