氧化钒薄膜的电阻特性研究.doc

氧化钒薄膜的电阻特性研究
学习二氧化钒(VO2)薄膜晶体结构及相转变等相关知识；
掌握利用恒流源测量薄膜电阻的方法，计算不同温度范围内的电阻变化率；
利用作图法处理数据，作出升温曲线和降温曲线并归纳总结热滞现象。
实验仪器

真空腔（四探针调节架、载物台、加热棒及热偶），电学组合箱（2个XMT612智能温控仪、1个恒流源、1个数字电压表）。
实验原理

二氧化钒(VO2)薄膜是一种具有热滞相变特性的材料，随着温度的升高，在68C附近会发生单斜结构和金红石结构的晶型转变，与此同时由半导体转变为金属态，此转变在纳秒级时间范围内发生，随之伴随着电阻率、磁化率、光的透过率和反射率的可逆突变。这些卓越的特性有着诱人的发展前景，可以用来制作光电开关材料、热敏电阻材料、光电信息存储器、激光致盲武器防护装置、节能涂层、偏光镜以及可变反射镜等器件等。
一、二氧化钒(VO2)薄膜的晶体结构

图X.2-1单斜晶结构VO2（M）

图X.2-2金红石结构VO2（R）
二氧化钒型态结构是以钒原子为基本结构的体心四方晶格，氧原子在其八面体的位置，有四种不同形态的结构：（1）金红石结构VO2（R）；（2）轻微扭曲金红石结构的单斜晶VO2（M）；（3）非常接近V6O13结构的单斜晶结构VO2（B）；（4）四方晶结构VO2（A）。二氧化钒在68℃时发生相变，在68℃以下时VO2（M）存在，反之，在68℃以上时则为金红石结构VO2（R），VO2（R）和VO2（M）型态的相转变是可逆的。同时VO2（B）→VO2（R）也可以发生相转化，VO2的另一个金属相VO2（A）是其相转变过程的中间相。VO2（B）型是一种亚稳态氧化物，经过对VO2（B）型薄膜进行退火处理，能够使其转变成VO2（R）型的稳定结构，但是VO2（A）和VO2（B）型态的相转变是不可逆的。
对VO2而言，最稳定的结构是VO2（R），其稳定的范围是68℃到1540℃之间。如图X.2-1所示，高温形态的四方金红石结构具有高对称性，V4+离子占据中心位置，而O2-则包围V4+离子组成一个八面体，此八面体的四重轴是沿着(110)或(011)排列。CR轴的钒原子组成等距(dv-v=0.286nm)的长链，为八面体的共用边。VO2（R）的晶格参数为aR=bR=0.455nm，cR=0.288nm,=90°,Z=2。
在68℃以下，单斜晶VO2（M）形成。沿着c轴方向的两个四价钒使晶格扭曲，进而导致对称性降低。在室温下VO2（M）相的晶格参数为aM=0.575nm,bM=0.542nm,cM=0.538nm,=122.6°,Z=4。由上述数据可观察到VO2（M）的晶格参数与VO2（R）的晶格参数息息相关：aM=2cR，bM=aR，cM=bR-cR，VO2（M）结构也是八面体。如图X.2-2。
二、二氧化钒(VO2)薄膜的相转变温度
在常温下二氧化钒薄膜处于半导体态，其电阻随温度升高而减小；当温度继续升高，薄膜电阻突然下降，随后薄膜电阻随温度升高而增大（见图X.2-3）。从图中还可观察到温度上升时和温度下降时的电阻-温度特性曲线并不完全重合，把这种具有类似铁磁材料迟滞特征的现象，称为热滞回线，即温度的变化落后于电阻的变化。图2是VO2单晶典型的电阻-温度曲线。半导体态电阻偏离线性的电阻Rs与金属态偏离线性的电阻RM之差的50%阻值对应的温度称为转变温度，温度升高曲线对应的转变温度记作TSMH，温度降低时对应的转变温度记作TSMC，两者温度之差称为转变宽度（T）。
本实验测量VO2薄膜的电阻-温度特性，与VO2单晶的电阻-温度曲线形状有所不同，但是基本概念仍适用。

图X.2-3二氧化钒晶体的电阻-温度特性曲线

三、四探针针法测量薄膜电阻
电阻率的高精度测量需要采用四端测量技术，也称为四探针测量法，在半导体和薄膜测试技术中得到广泛应用。四探针法分为直线四探针法和方形四探针法，按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改进的范德堡法等。本专题我们采用常规直线四探针法，其原理图见图X.2-4，其中最外侧两个探针通恒流，中间两个探针取电压，则当样品面积远远大于四探针中相邻两探针间距时，中间两个探针之间材料R2的电阻率分两种情况考虑：1）如果对厚度为三倍探针针距以上的体材样品电阻率为
其中S为针间距；2）如果对厚度远小于针间距的薄膜样品，则利用公式
计算，d为薄膜样品厚度。在半导体专业测量中常考虑边缘和厚度效应，以上两个公式两边需要乘上修正因子。在大学生物理实验中，我们忽略两种效应对电阻率的影响。

图X.2-4四探针原理图

实验内容与步骤

真空的获得
本实验的仪器装置示意图见图。仪器由四探针组件，温度控