[发明专利]一种高取向二氧化钒薄膜的液相制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高取向二氧化钒薄膜的液相制备方法，属于化学功能材料领域。

背景技术

二氧化钒（VO₂）是一种强关联电子材料，体相VO₂在68℃附近发生从高温金属相（金红石R相）到低温半导体相（单斜M相）的结构突变，伴随着其电阻率与红外透光率的巨大变化，且相变过程可逆。由于这种材料在相变前后电、磁、光性能有较大变化，从而在光电开关材料、存储介质和智能窗材料等方面有着广泛的应用需求。

VO₂薄膜可以经历反复的相变循环而不发生断裂，因此具有更加广泛的应用前景。高取向VO₂薄膜由于其晶粒排列比多晶更加有序，导致其具有更卓越的相变特性，如相变前后较大的电阻率变化幅度，以及较小的相变温区范围等。常见的制备方法除了脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延等物理制膜方法外，还有溶胶凝胶法等液相法。比较而言，物理法制备的薄膜结构致密、取向性较好；而液相法制备的薄膜一般结构比较疏松，获得高生长取向的薄膜比较困难，但具有工艺简单、成本低、易于掺杂、且可大面积成膜等优点。无疑，如果能利用液相法，采用简化的制备工艺获得高取向VO₂薄膜，将具有非常重要的意义。针对上述目标，目前技术主要存在以下几方面的问题：（1）烧结过程需要气体保护，包括还原性气体、惰性气体、以及两者的混合气体（CN201010126863.5）等；这需要增加气源、气路以及混气的装置，从而使设备与操作变得更加复杂，也增加了制作成本；（2）真空环境下烧结时对真空要求太高，得到的VO₂缺少取向性；VO₂薄膜在烧结前通常是一些钒的氧化物，通过真空烧结制备VO₂需要真空度优于10^-2Pa（Surface & Coatings Technology, 201, 2007, 6772-6776），也有文献报道为1-2Pa（Applied Surface Science, 191, 2002，176-180）；总体来看，制备的VO₂纯度普遍不高，X射线衍射谱中还有其它相的钒氧化物出现，薄膜没有生长取向。出现上述现象的原因关键在于还原的均匀性不够，烧结过程中，薄膜表面与薄膜内部接触的环境不同，导致烧结后出现不同的氧化钒物相；另外，衬底材料的选取对制备高生长取向的VO₂薄膜也非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高取向二氧化钒薄膜的液相制备方法，以克服现有技术的不足。

本发明提供了一种高取向二氧化钒薄膜的液相制备方法，其制备方法是先用钒的醇盐制备前驱液，然后将前驱液涂于衬底表面制备前驱物薄膜，最后将前驱物薄膜置于真空条件下烧制而成；具体如下：

（1）以三异丙醇氧钒为溶质，异丙醇为溶剂配制前驱液；

（2）把所得前驱物溶液涂于蓝宝石衬底，制得前驱物薄膜；

（3）把所得前驱物薄膜置于真空炉中烧结，保温0.5~20小时，即得到二氧化钒薄膜，其中，烧结温度控制在400℃~600℃，烧结环境真空度控制在3 Pa~15 Pa。

优选的，所述步骤（3）中的保温时间范围在4h~10h。

优选的，所述步骤（3）中的烧结温度范围在430℃~590℃。

优选的，所述步骤（3）中的烧结环境真空度范围在4Pa~8Pa。

所述步骤（2）制得前驱物薄膜后，对其进行烘干处理；优选的，烘干温度不超过300℃，烘干时间不超过15分钟。

所述步骤（1）制备前驱液时，加入冰醋酸作为稳定剂，冰醋酸与三异丙醇氧钒的质量比为1:1~6:1。

在步骤（1）制备的前驱液中，三异丙醇氧钒与异丙醇的质量体积比g:ml为1-15:100。

由上述技术方案可知：本发明采用三异丙醇氧钒为原料，蓝宝石晶片为衬底，通过控制烘胶过程，使烧结前的前驱物薄膜中含有一定的有机成分，这些有机成分在真空烧结时可以均匀还原V⁵⁺得到高取向VO₂薄膜，降低烧结时对真空的要求，且不需要其它气体保护，为用液相法制备高取向VO₂薄膜提供了技术支持。

本发明具有以下优点：