基于原子层沉积技术的具有常温相变能力的钨掺杂二氧化钒兼容于8寸晶圆及P

英国南安普敦大学物理学院以及电子与计算机学院课题组使用原子层沉积技术合成出钨掺杂的二氧化钒（W:VO_portant;">2）。该材料具有常温相变特性，并且该技术兼容于大尺寸（8寸）硅基衬底以及聚酰亚胺（PI)薄膜。基于所制作的常温相变材料，加工出新一代超表面航天器‘智能’温控涂层（OSR）。

portant;">近年来，二氧化钒（VO₂）由于其独特的绝缘/金属的相变特性受到了广泛关注。随着温度变化，二氧化钒可以实现绝缘态和金属态之间的可逆转变，这种转变将导致其在电学和光学特性产生巨大改变。通过合理调控这两种状态，可以实现跟随温度变化而灵活响应的‘智能型’器件或者装置。目前，该材料被认为在辐射制冷、智能窗户、神经网络计算、存储，以及红外隐身上有着广阔的应用前景。

portant;">对于无掺杂二氧化钒，其相变温度通常为68℃，而其较高的相变温度限制了以常温作为温控阈值的各种节能相关的应用。近来各种研究表明，二氧化钒的相变温度可以通过钨等原子的进行掺杂调控，以实现常温下的相变应用。然而，钨掺杂二氧化钒（W:VO₂）的生长仍然是具有挑战的，尤其是在大面积范围内实现钨的精准掺杂。另外，通常生长的二氧化钒需要在氧气中进行退火处理来调节含氧量以及结晶态，以获得具有相变能力的二氧化钒。英国南安普敦大学物理与天文学院（Otto Muskens教授及孙凯博士）以及电子与计算机学院 (Kees de Groot教授)所领导的研究小组针对钨掺杂二氧化钒的制备问题，提出了通过精细原子层沉积调控技术（ALD）生长出了能精确控制相变温度的钨掺杂二氧化钒，并且验证了该技术对于柔性衬底（Polyimide）以及大尺寸衬底 （8英寸硅衬底）的工艺兼容性。该研究也展示了基于掺杂二氧化钒的超材料具有温控可变红外辐射能力的智能散热涂层的航天应用。相关结果发表在Advanced Optical Material上。

portant;">近来，作为CMOS兼容的大尺寸的工业级生长技术， 原子层沉积技术成为了高性能的薄膜生长的一种首选的技术。目前所报道的二氧化钒的原子层沉积技术都是针对于无掺杂二氧化钒。受限于所使用制备原料（TEMAV），二氧化钒的生长温度通常为150℃，而氧化钨的生长温度通常为250℃以上，二者生长温度差异对ALD生长掺钨二氧化钒的制备产生了巨大的技术挑战。该研究组发现了基于200℃的温度窗口实现钨参杂二氧化钒的生长并获得了低于3%的均匀度（200 mm 衬底）。对于其关键的退火条件，该研究组测试了多种温度和氧压强的组合，实现了375℃下二氧化钒制备使其完全兼容于航空级的柔性衬底Kapton。通过对钨掺杂含量的精确控制，获得了常温相变的二氧化钒，并通过光刻和等离子刻蚀制备了二氧化钒的超表面结构以获得更高对比度的高低温红外辐射。同时，对于所制备的不同钨掺杂浓度的二氧化钒材料进行了细致的材料（XPS及拉曼）以及光学（红外影像及FTIR）表征，给出了基于不同温度的光学参数，这些参数将给进行基于二氧化钒的光学和智能器件的设计提供重要的研究基础。该研究所提出的基于原子层沉积技术的室温相变钨掺杂二氧化钒成为可能，并实现了大面积的精准厚度和掺杂控制，该技术为相关的科学研究提供理想的材料以及大大提升基于该材料的商业化生产和产业化应用。

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论文信息：

Room Temperature Phase Transition of W-Doped VO2 by Atomic Layer Deposition on 200 mm Si Wafers and Flexible Substrates

Kai Sun*, Callum Wheller, James A. Hillier, Sheng Ye, Ioannis Zeimpekis, Alessandro Urbani, Nikolaos Kalfagiannis, Otto L. Muskens*, Cornelis H. de Groot*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202201326

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201326

（来源：AdvancedScienceNews）