基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，首先清洗柔性基底PI，即聚酰亚胺，再采用金属钒作为靶材，以氩气作为工作气体，通过超高真空对靶磁控溅射设备在PI表面沉积金属钒纳米薄膜，再将该金属钒纳米薄膜于300～400℃进行快速热处理，制得纳米氧化钒功能薄膜。本发明通过改变材料本身的性质来实现其高低阻值的变化，达到了相变的目的，为柔性基底集成电路新型器件提供了应用基础。
【专利说明】基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子半导体功能薄膜【技术领域】，具体涉及一种基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米科技是当今社会最热门的科学词汇之一，作为20世纪80年代发展起来的新兴科技，纳米技术研究尺寸在0.1~IOOnm范围内材料的性质和应用。纳米科学是现代科学(量子力学、介观物理、分子生物学、混沌物理)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物，并由此产生了纳米材料学、纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等。纳米材料学作为纳米技术发展的前提和基础，是纳米科技领域研究内涵十分丰富的学科分支。而纳米薄膜材料的研究是纳米材料学领域的重要内容。开展纳米薄膜的研究，直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等的发展方向和进程。
[0003]1959年，F.J.Morin科学家在贝尔实验室发现了氧化钒具有热致相变特性以来，其一直是材料科学领域研究的热点之一。钒作为过渡金属元素，可以和氧结合形成多种氧化物。目前研究发现V02，V2O3,V2O5等13种钒氧化物，其中至少有8种氧化物具有半导体相到金属相的转变特性，转变温度约在_157°C~256°C，其中二氧化钒由于其相变温度(68°C)接近室温而备受关注。不同钒氧化物其晶格结构和空间排列也不同，其光电性能也存在很大的差异。然而块状的氧化钒材料随着温度反复的升高和降低具有灾难性的缺陷，出现体积的变化导致开裂现象，及制备成本高。而氧化钒薄膜功能材料却具有很好的延展性，极大地拓展了其研究应用范围，使其可以和半导体技术，微电子机械系统(MEMS)技术相结合制作出体积微小、工艺兼容、价格低廉的光电开关器件、光电存储器、传感器、探测器等。
[0004]目前氧化钒的制备都是基于非柔性基底，有关柔性基底的制备报道较少，主要是因为有机功能层材料和柔性基底一般不能与CMOS工艺兼容，一般都制备在非柔性基底上，不能达到柔韧可弯曲的效果。随着柔性基底集成电路的制造也需要新型的柔性功能器件。如何把氧化钒薄膜制作在柔性基底上，使其具有良好的相变特性成为目前研究的主要内容。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，提供一种基于柔性基底采用金属氧化法制备的具有相变特性的氧化钒纳米薄膜。采用热激励方式调控纳米氧化钒功能薄膜的相变特性，开发出一种制备过程简单，易于控制、 稳定可靠的新型基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法。
[0006]一种基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，具有以下步骤:
[0007](I)清洗柔性基底PI[0008]将基底PI，即聚酰亚胺，依次放入去离子水、丙酮溶剂及无水乙醇中分别超声清洗20~40分钟，随后放入质量分数为5-10%的醋酸溶液中浸泡15~30分钟，除去表面有机物杂质；再用去离子水洗净，最后将PI烘干备用。
[0009](2)制备金属钒纳米薄膜
[0010]将清洗好的PI置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用金属钒作为靶材，以氩气作为工作气体，本底真空度为(4~6) X 10_4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为45~48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率100~150W，溅射时间10~50min，在PI表面沉积金属钒纳米薄膜；
[0011](3)基于柔性基底金属钒纳米薄膜的热处理
[0012]将步骤(2)制得的金属钒纳米薄膜置于快速热处理设备中，采用氧气作为工作气体，氧气气体流量为3~5slpm，热处理温度为300~400°C，热处理时间为120~180s。
[0013]所述步骤(1)柔性基底PI的介电常数为3.4，耐高温达400°C。
[0014]所述步骤(1)PI的规格为IcmX Icm的矩形。
[0015]所述步骤(2)金属钒的质量纯度为99.99%，氩气的质量纯度为99.999%。
[0016]所述步骤(3)的工作气体氧气的质量纯度为99.999%。
[0017]所述步骤(2)制备的金属钒薄膜厚度为10~75nm。
[0018]所述步骤(2)的超高真空对靶磁控溅射设备的为DPS-1II型超高真空对靶磁控溅射设备。
[0019]所述步骤(3)的快速热处理设 备为AG610型快速热处理设备。
[0020]所述步骤(3)的热处理后形成的纳米氧化f凡薄膜厚度为20~150nm。
[0021]所述步骤(3)氧化钒成分为V0X，其中0.5 < X < 2.5。
[0022]本发明与已有技术相比较，有益效果如下:
[0023]( I)本发明提供的基于柔性基底的热致相变膜材料，借助于加热装置，通过改变材料本身的性质来实现其高低阻值的变化，达到了相变的目的。所制备的薄膜相变温度较低，可达到38 °C，接近室温。
[0024](2)相对于现有的非柔性基底的调制器，本发明实现了相变膜材料在柔性基底上的可操作性，为柔性基底集成电路新型器件提供了应用基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是实施例1的柔性基底上纳米氧化钒功能薄膜扫描电子显微镜照片；
[0026]图2是实施例1的柔性基底上纳米氧化钒功能薄膜电阻随温度变化曲线图；
[0027]图3是实施例2的柔性基底上纳米氧化钒功能薄膜电阻随温度变化曲线图。
【具体实施方式】
[0028]本发明所用原料均为市售的化学纯试剂，下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
[0029]实施例1
[0030](I)准备柔性基底PI，即聚酰亚胺，所用柔性基底PI具有良好的介电性能，介电常数为3.4，耐高温达4001:;将柔性基底PI依次放入去离子水、丙酮溶剂及无水乙醇中分别超声清洗20分钟，随后放入质量分数为5%的醋酸溶液中浸泡15分钟，除去表面有机物杂质；再用去离子水洗净，最后将PI烘干备用。PI的规格为IcmX Icm的矩形。
[0031](2)采用磁控束溅射法制备金属钒膜。以质量纯度为99.99%的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，本底真空度4.2X 10_4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率135W，溅射时间40min，在表面沉积金属f凡纳米薄膜60nm。
[0032]3)采用AG610型快速热处理设备中，以质量纯度为99.999%的氧气作为工作气体，氧气气体流量为3splm，热处理温度为380°C，热处理时间为120s，制得基于柔性基底纳米氧化钒功能薄膜为V02。热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为150nm。
[0033]图1是实施例1的柔性基底上纳米氧化钒功能薄膜扫描电子显微镜照片，由图中可以看出所制备的薄膜结构致密。
[0034]本发明采用RTS-8型四探针测试仪结合精度为0.1°C的温控加热台来测量纳米氧化钒功能薄膜的相变特性，测试温度范围为20~100°C。
[0035]实施例1制得的柔性基底纳米氧化钒薄膜具有良好的热致相变特性，相变温度为38°C，电阻值变化幅度大于2个数量级，如图2所示。
[0036]实施例2
[0037]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤(2)中溅射时间为30分钟。金属纳米钒的厚度为45nm。
[0038]实施例2制得柔性基底纳米氧化钒薄膜为VO2和V2O5混合相。热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为90nm。所制备的薄膜具有良好的热致相变特性，相变温度为43°C，电阻值变化幅度约700倍，如图3所示。
[0039]实施例3
[0040]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤(2)中的溅射时间为10分钟，步骤(3)中热处理温度为310°C。金属纳米钒的厚度为15nm。
[0041]实施例3制得柔性基底纳米氧化钒薄膜为VO2和V2O5混合相。热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为40nm。所制备的薄膜具有良好的热致相变特性，相变温度为54°C，电阻值变化幅度为120倍。
[0042]实施例4
[0043]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤(2)中的溅射时间为40分钟，步骤
(3)中热处理温度为400°C。金属纳米钒的厚度为60nm。
[0044]实施例4制得制得柔性基底纳米氧化钒薄膜为VO2和V2O5混合相。热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为150nm。所制备的薄膜具有良好的热致相变特性，相变温度为48°C，电阻值变化幅度为300倍。
[0045]实施例5
[0046]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤⑵中的溅射功率为150W，步骤
(3)中热处理温度为300°C，热处理时间为180s。金属纳米钒的厚度为70nm。
[0047]实施例5制得制得柔性基底纳米氧化钒薄膜为VO2和V2O5混合相。热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为lOOnm。所制备的薄膜具有良好的热致相变特性，相变温度为41 °C，电阻值变化幅度为520倍。[0048]以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，具有以下步骤: (1)清洗柔性基底PI 将基底PI，即聚酰亚胺，依次放入去离子水、丙酮溶剂及无水乙醇中分别超声清洗20~40分钟，随后放入质量分数为5~10%的醋酸溶液中浸泡15~30分钟，除去表面有机物杂质；再用去离子水洗净，最后将PI烘干备用。 (2)制备金属钒纳米薄膜 将清洗好的PI置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用金属钒作为靶材，以氩气作为工作气体，本底真空度为(4~6) X 10_4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为45~48mL/min，溅射工作气压为2Pa，溅射功率100~150W，溅射时间10~50min，在PI表面沉积金属f凡纳米薄膜； (3)基于柔性基底金属钒纳米薄膜的热处理 将步骤(2)制得的金属钒纳米薄膜置于快速热处理设备中，采用氧气作为工作气体，氧气气体流量为3~5slpm，热处理温度为300~400°C，热处理时间为120~180s。
2.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)柔性基底PI的介电常数为3.4，耐高温达4001:。
3.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)PI的规格为IcmX Icm的矩形。
4.根据权利 要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)金属钒的质量纯度为99.99%，氩气的质量纯度为99.999%。
5.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的工作气体氧气的质量纯度为99.999%。
6.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)制备的金属钒薄膜厚度为10~75nm。
7.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的超高真空对靶磁控溅射设备的为DPS-1II型超高真空对靶磁控溅射设备。
8.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的快速热处理设备为AG610型快速热处理设备。
9.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的热处理后形成的纳米氧化钒薄膜厚度为20~150nm。
10.根据权利要求1所述的基于柔性基底具有相变特性纳米氧化钒功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)氧化钒成分为VOx，其中0.5 < X < 2.5。
【文档编号】C23C14/58GK103882399SQ201410101213
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】胡明, 韦晓莹, 武雅乔, 夏晓旭, 朱乃伟 申请人:天津大学