높은 호환성 공정에 의해 높은 온도 저항 계수(TCR)와 낮은 저항을 갖는 열에 민감한 박막을 준비하는 것은 작은 픽셀을 가진 마이크로볼로미터의 감도를 높이는 데 유리합니다. 여기에서 V1-x-y를 준비하기 위한 효과적이고 프로세스 호환 가능한 접근 방식을 보고합니다. Tix Ruy O2 반응성 스퍼터링 공정 후 400 °C의 산소 분위기에서 열처리를 통해 단사정 구조, 높은 TCR 및 낮은 저항을 갖는 열에 민감한 박막. X선 광전자 분광법은 Ti 4+ 및 Ru 4+ 이온은 VO2로 결합됩니다. . X선 회절, 라만 분광법 및 투과 전자 현미경은 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 VO2와 같은 단사정 격자 구조를 가지고 있습니다. . 그러나 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 단사정 격자에서 고농도 Ti의 고정 효과로 인해 실온(RT)에서 106 °C까지 no-SMT 기능을 나타냅니다. 또한 V0.8163의 RT 저항 Ti0.165 Ru0.0187 O2 박막은 도핑되지 않은 VO의 1/8에 불과합니다2 박막이며 TCR이 3.47%/°C로 높습니다.
Microbolometers는 민간 및 군사 분야에서 널리 적용되었습니다. 중요한 개발 동향 중 하나는 제품 비용을 줄이고 감지 범위를 늘리기 위해 픽셀 크기를 줄이는 것입니다[1]. 그러나 소형화로 인해 감도가 저하됩니다. MEMS(Micro-Electromechanical System) 제조 공정을 개선하여 충전 계수, 흡수 계수, 열전도율 및 기타 핵심 요소를 최적화하면 감도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만 이러한 접근 방식은 한계에 도달하고 있습니다[1]. 또 다른 효과적인 방법은 더 나은 열에 민감한 재료를 사용하는 것입니다[2]. 널리 사용되는 열에 민감한 물질로 VOx 0.1–5.0 Ω·cm 범위의 상대적으로 낮은 저항을 갖는 이 제품은 실온에서 약 2%/°C의 TCR을 갖습니다[3]. 마이크로볼로미터의 감도가 TCR에 비례한다는 점을 고려할 때, 작은 픽셀 마이크로볼로미터의 감도를 높이려면 TCR이 높은 열에 민감한 재료를 사용하는 것이 더 유리합니다. VOx의 TCR을 높이려면 영화, Jin et al. 준비된 Mo 도핑된 VOx 바이어스 타겟 이온 빔 증착에 의한 박막 [3]. 필름은 -4.5%/°C의 높은 TCR을 갖지만 큰 저항률(> 1000 Ω·cm)은 마이크로볼로미터 응용 분야에 적합하지 않습니다.
일반적인 VOx 제작용 -기반 볼로미터 어레이, VOx를 커버해야 합니다. 패시베이션 층이 있는 열에 민감한 박막(SiNx 또는 SiOx ), 후속 공정(포토레지스트 제거, 희생층 박리 등)에 의한 산화로부터 열에 민감한 박막을 보호할 수 있다[4]. 패시베이션 층의 보호 효과는 막 밀도에 따라 다릅니다. 더 조밀한 패시베이션 층은 더 나은 보호 효과를 가져옵니다. 일반적으로 높은 준비 온도는 더 조밀한 패시베이션 층에 기여하므로 [5, 6] VOx에 대한 보호 효과가 더 좋습니다. 박막. 그러나 VOx 일반적으로 비교적 낮은 온도(300 °C 미만)에서 제조되는 열에 민감한 박막은 비정질입니다[3, 7, 8]. 반면 무정형 VOx 고온에서 결정화되는 경향이 있습니다[9]. 결정화가 발생하면 필름의 전기적 매개변수가 크게 변경됩니다. 따라서 VOx에 대한 상대적으로 낮은 준비 온도 열에 민감한 박막은 패시베이션 보호층의 공정을 제한합니다. 이로 인해 볼로미터 어레이 제작에 성가신 문제가 발생합니다. 즉, 후속 공정에 대한 매우 엄격한 제어입니다.
단사정 이산화바나듐(VO2 ) 박막은 실온(RT)에서 높은 TCR로 인해 매우 민감한 마이크로볼로미터에 대한 잠재적인 열에 민감한 재료로 간주되었습니다. 또한 단사정 VO2 박막은 300 °C보다 높은 온도에서 제조되기 때문에[10], 이는 더 높은 온도에서 보다 조밀한 보호막을 제조하는 데 유용합니다. 그러나 단사정 VO2의 두 가지 특성 마이크로볼로미터에 대한 실제 적용을 어느 정도 제한합니다. 한편, SMT(반도체-금속 전이)는 VO2에서 발생합니다. 약 68 °C 근처. VO2의 SMT 동안 히스테리시스 특성 및 변형률 변화 장치 성능을 저하시키고 장치의 신뢰성을 감소시킵니다[11]. 반면에 상대적으로 높은 RT 저항(> 10 Ω·cm)은 장치 작동 매개변수의 선택을 제한합니다[12, 13]. 따라서, 높은 TCR, non-SMT, 낮은 저항률 및 결정화 구조를 갖는 이산화바나듐 필름을 준비하는 것은 마이크로볼로미터용 고성능 열에 민감한 재료를 개발하기 위한 도전이 됩니다. 최근 Soltani et al. Ti와 W를 모두 VO2에 도입했습니다. SMT를 억제하기 위한 박막 [14], Ti-W co-doped VO2 비 SMT 기능과 높은 TCR을 가진 박막. 그러나 Ti-W는 VO2를 공동 도핑했습니다. 박막은 도핑되지 않은 VO2와 유사한 저항을 갖습니다. .
이 기사에서는 고성능 단사정 V1-x-y를 시연합니다. Tix Ruy O2 Ti 및 Ru 이온을 VO2에 도입하여 SMT 억제 전략을 통한 열에 민감한 박막 박막. 반응성 스퍼터링 공정에 이어 400°C에서 어닐링하여 박막을 제조하였다. 무정형 VOx보다 높은 공정 온도 박막은 볼로미터 장치에 대한 후속 MEMS 프로세스의 더 많은 매개변수 선택을 제공합니다. V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 VO2와 유사한 단사정 구조를 가지고 있습니다. 그러나 고농도 도펀트의 피닝 효과로 인해 SMT 기능이 완전히 억제됩니다. 최적의 도펀트 농도를 가진 박막은 상용 VOx보다 TCR(3.47%/°C)이 더 높습니다. 박막 및 도핑되지 않은 단사정계 VO보다 훨씬 낮은 RT 저항2 박막.
모든 박막은 석영 기판(23 mm × 23 mm × 1 mm)에 직류(DC) 반응성 마그네트론 스퍼터링을 통해 준비되었습니다. 타겟-기판간 거리가 약 11.5cm인 박막 증착을 위해 직경 80 mm, 두께 4 mm의 고순도 바나듐 타겟(99.99%)을 사용하였다. 기본 압력이 2.0 × 10 −3 미만인 후 Pa, 스퍼터링은 O2로 0.32A에서 실행되었습니다. /Ar 비율 1:50. 증착 동안 기판 온도는 100 °C로 유지되었습니다. 그런 다음 증착된 박막을 순수한 산소(4.4sccm)에서 400°C에서 60분 동안 제자리에서 어닐링했습니다. 보정된 증착 속도에 따라 필름의 두께를 약 380 nm로 조절하였다. Ti 및 Ru는 순수 Ti 조각(99.9% 순도, 10 mm × 10 mm × 2 mm) 및 V/Ru 합금 조각(10.0 at.% Ru 및 90.0 at.% V로 구성, 10 mm × 10 mm × 2 mm) V 타겟의 스퍼터링된 표면에 대칭으로 배치됩니다. V1-x-y Tix Ruy O2 3개의 Ti 조각과 1, 2, 3 V/Ru 합금 조각을 사용하는 박막, 3개의 Ti 조각을 사용하는 Ti 도핑된 박막 및 도핑되지 않은 VO2 박막은 각각 VTRO-1, VTRO-2, VTRO-3, VTO, VO로 표시됩니다.
도펀트(Ti 및 Ru)의 화학적 상태는 ESCALAB 250(Thermo instrument)을 사용하여 Al Kα 방사선(1486.6 eV)으로 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석되었습니다. 결합 에너지(BE)는 외래 탄소로부터 284.6 eV의 C 1 s 피크로 보정되었습니다. V1-x-y의 도펀트 농도 Tix Ruy O2 에너지 분산 X선 분광법(EDS)으로 박막을 확인했습니다. 필름의 결정 구조는 Bruke D8 회절계(Cu Kα 조사)의 X선 회절(XRD)과 Titan G2 60-300의 투과 전자 현미경(TEM)으로 조사되었습니다. 라만 스펙트럼은 여기 파장이 514 nm이고 조사 출력이 약 0.5 mW인 공초점 ɑ-라만 분광기를 사용하여 특성화했습니다(Renishaw inVia). 시료의 표면 형태는 주사전자현미경(SEM, SU8020, Hitachi)으로 관찰하였다. 박막의 온도 의존적 저항률은 두께와 면저항에 따라 2 °C의 온도 구간에서 구하였으며, 가열판과 함께 4점 프로브(SX1934)를 사용하여 기록하였다.
필름에 있는 도펀트의 화학적 상태는 XPS 분석에 의해 결정되었습니다. 그림 1a는 V2p, O1s, Ti2p 및 C1s의 강한 피크를 명확하게 보여주는 VO, VTO 및 VTRO-3의 XPS 조사 스펙트럼을 보여줍니다. V1-x-y에서 Ru 3d의 피크 Tix Ruy O2 약 281.4 eV의 숄더 신호로서 박막은 C 1 s 피크 근처에서 관찰될 수 있습니다[15]. Ti 4+ 의 성공적인 통합 및 Ru 4+ 이온을 VO2로 격자는 그림 1b 및 c에서 VRTO-3의 Ti 2p 피크와 Ru 3d 피크로 설명됩니다. Ti 2p1/2 464.0 eV에서 피크, Ti 2p3/2 Ti 2p 이중선에 대한 458.3 eV의 피크 및 5.7 eV의 분할 에너지는 Ti 4+ 의 산화 상태를 나타냅니다. VTO 및 VTRO-3 [16]의 이온. 그림 1c는 VTRO-3에 대한 Ru 3d XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 281.4 eV의 결합 에너지는 Ru 4+ 의 존재를 나타냅니다. VTRO-3의 이온 [16]. Ti 및 Ru 원소의 존재는 그림 1f와 같이 EDS 분석을 통해 추가로 확인할 수 있습니다. Ti 및 Ru 원소의 도핑 농도(V1-x-y의 x, y Tix Ruy O2 ), EDS 분석으로 얻은 모든 샘플에 대해 표 1에 나열되어 있습니다. 고농도 Ti가 V1-x-y에 도입되었습니다. Tix Ruy O2 박막. 박막에서 Ru의 도핑 수준은 V/Ru 합금 조각의 수를 변경하여 잘 제어되었습니다.
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아 VO, VTO 및 VTRO-3의 XPS 조사 스펙트럼, b의 분해된 XPS 스펙트럼 Ti 2p 및 c VTRO-3용 Ru 3d, d V 2p3/2 VO 및 VTRO-3, e에 대한 XPS 스펙트럼 VTRO-3의 EDS 스펙트럼
또한, 필름에서 바나듐 이온의 산화 상태도 deconvoluted V 2p3/2 Shirley 함수 [17,18,19]를 사용하여 피크. 그림 1 d 및 e는 고해상도 V 2p3/2를 보여줍니다. VO 및 VTRO-3에 대한 XPS 스펙트럼. V 2p 스펙트럼은 모두 V 5+ 를 나타내는 517.4 eV에서 두 개의 피크로 구성됩니다. 및 516.1 eV, V 4+ 표시 [20]. V 5+ 의 등장 이온은 공기 중에 보관하는 동안 샘플 표면의 자연 산화에 기인할 수 있습니다[21, 22]. 특히, V 5+ 의 상대적인 내용 그림 1d 및 e에 표시된 V 2p 피크의 통합 강도에서 추정된 VO 및 VTRO-3의 종은 각각 34.5% 및 28.0%입니다. V 4+ 의 상대적인 내용 VO 및 VTRO-3의 종은 각각 65.5% 및 72.0%입니다. 이것은 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 VO2보다 더 높은 안정성을 나타냅니다. .
결정 구조를 확인하기 위해 모든 샘플의 XRD 패턴을 수집했습니다(그림 2a). 모든 필름은 VO2의 단사정 구조를 나타냅니다. (PDF 번호 43-1051) [23]. 모든 필름에서 (011) 피크는 다른 피크보다 강도가 더 높은 것으로 보이며 (011) 면을 따라 우선적인 성장을 나타냅니다. 다른 바나듐 산화물에서 회절 피크 없음(V2 O3 , V2 O5 ) [22] 또는 티타늄/루테늄 산화물 상이 감지될 수 있습니다[24]. 또한 V 5+ 이온은 V2의 특징적인 피크가 없는 동안 XPS에 의해 프로브됩니다. O5 XRD 패턴의 위상. XPS가 표면에 민감한 기술이고 XRD 분석이 전체 샘플의 격자 구조를 나타내는 것을 고려하면 V 5+ 이온은 보관 중 표면 산화로부터 유도되는 것으로 생각되며 이전에 보고된 바와 같이 샘플의 표면에만 존재합니다[24,25,26,27].
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아 XRD 패턴 및 b 모든 샘플의 (011) 피크의 클로즈업 보기
그림 2b는 Lorentzian 함수로 피팅한 후 모든 샘플에 대한 (011) 피크의 클로즈업 보기를 추가로 보여줍니다. VO에 비해 VTO의 (011) 회절 피크는 27.78°에서 27.76°로 이동합니다. 이는 Ti 도핑이 단사정 VO2에서 Ti의 치환 존재로 인해 (011) 패싯의 면간 간격을 약간 증가시킨다는 것을 의미합니다. [28, 29]. V1-x-y의 경우 Tix Ruy O2 , (011) 패싯의 피크 위치는 더 큰 각도로 이동하여(VO의 경우 27.78°에서 VTRO-2의 경우 27.86°), 평면간 격자 간격이 (011) 패싯을 따라 변한다는 것을 나타냅니다. 이것은 일부 V 4+ 의 교체에서 비롯되어야 합니다. Ru 4+ 에 의한 단사정 격자의 이온 더 큰 이온 반경으로. Scherrer의 공식에 따르면 평균 결정자 크기는 Scherrer 방정식에 의해 (011)면의 회절 데이터로부터 추정된다[30]. VTO는 VO보다 결정자 크기가 더 큽니다(표 1). 이것은 Ti 도핑이 VO2의 성장을 촉진한다는 것을 보여줍니다. 결정자. 그러나 Ru의 첨가는 필름의 결정자 크기를 감소시킨다. Ru의 농도가 증가함에 따라 V1-x-y Tix Ruy O2 박막(VTRO-1, VTRO-2, VTRO-3)은 점차적으로 감소된 결정 크기를 나타냅니다. 이전 작업에서 Ru 4+ VO2의 이온 격자는 VO2의 성장을 억제합니다. Ru 도핑된 VO2의 결정 박막[24]. 마찬가지로 Ru 4+ 이온은 V1-x-y에서 인접한 미결정의 유착을 억제합니다. Tix Ruy O2 박막, 따라서 필름의 결정자 크기를 줄입니다.
VO 및 VTRO-3에서 단사정 격자의 직접적인 관찰은 TEM 분석을 통해 수행되었습니다[31,32,33]. 그림 3a와 b는 VO와 VRTO-3의 SAD(Selective Area Diffraction) 패턴을 보여줍니다. 그들은 단사정 VO2로 인덱싱될 수 있는 명확한 일련의 Debye-Scherrer 회절 고리를 나타냅니다. . 이것은 도핑되지 않은 VO2의 단사정계 다결정 특성을 시사합니다. 및 V1-x-y Tix Ruy O2 XRD 분석과 일치하는 박막. 그림 3 c 및 d에 표시된 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지는 단사정계 VO2에서 명확한 격자 무늬를 나타냅니다. . 이것은 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 것과 같은 단사정 구조를 갖는다(VO)[34]. 그러나 그림 3d의 삽입물은 VTRO-3의 결정자에서 국부 격자 무늬의 왜곡을 보여줍니다. 이것은 Ti 및 Ru 도펀트의 도입이 단사정계 VO2의 격자에 명백한 교란을 야기함을 나타냅니다. .
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아 그리고 b 슬픈 패턴, c 그리고 d VO 및 VTRO-3의 HRTEM 이미지
그림 4는 필름에 대해 RT에서 얻은 라만 스펙트럼을 보여줍니다. VO에 대한 모든 라만 피크는 Ag에 기인할 수 있습니다. 및 Bg 단사정 VO2의 포논 모드 [35]. V2의 라만 모드 없음 O5 관찰할 수 있다[24]. 세 가지 주요 라만 모드(ω1 약 193 cm −1 , ω2 약 223 cm −1 및 ω3 약 613 cm −1 ) VO2의 결정 구조에 대한 도핑의 영향을 추가로 조사하는 데 사용됩니다. 박막. Ti 도핑된 VO2 박막(VTO)은 유사한 고주파수 포논 모드(ω3 ) VO2로 (VO), 전형적인 단사정 VO2 . 다르게 두 개의 저주파 모드(ω1 및 ω2 ) VTO에서 도핑되지 않은 VO2와 비교하여 명백한 적색 편이를 나타냅니다. . 저주파 모드 ω1 및 ω2 V-V 진동에 기인할 수 있습니다[36]. ω1의 적색편이 및 ω2 Ti 4+ 를 나타냅니다. 이온은 단사정 VO2에서 지그재그 V-V 사슬로 도입되었습니다. [37] Ti 4+ 주변의 국부적 구조 섭동으로 인해 V-V 진동의 라만 주파수를 감소시킵니다. 이온.
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도핑되지 않은 VO에 대한 실온 라만 스펙트럼2 , Ti 도핑된 VO2 및 V1-x-y Tix Ruy O2 박막
고주파 포논 모드 ω3 V1-x-y에 대해 여전히 관찰됩니다. Tix Ruy O2 단사정 VO2의 존재를 시사하는 박막 . 이는 XRD 및 TEM 분석과 일치합니다. 그러나 ω3의 라만 강도 VO 및 VTO에 비해 현저히 감소합니다. 다른 라만 피크는 현저하게 약해지며 Ru 농도가 증가함에 따라 사라집니다. 이것은 단사정 VO2에 국소 장애가 있음을 나타냅니다. Ti 및 Ru 이온의 존재로 인한 격자. 이전 작업은 Ru 4+ VO2의 이온 Ru-O 배위가 정방정계 VO2와 거의 동일한 대칭을 나타내므로 격자는 단사정계 프레임워크에서 국부적 정방정계 대칭을 유도합니다. [24, 38]. 정방 대칭은 단사정상보다 낮은 라만 활성을 갖는다[39]. 따라서 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 훨씬 낮은 라만 강도를 나타냅니다.
그림 5는 VO, VTO 및 VTRO-3에 대한 SEM 표면 형태를 보여줍니다. 도핑되지 않은 VO2 필름은 주로 약 50–100 nm 크기의 입자로 구성됩니다(그림 5a). Ti 도핑은 VO2의 표면 형태에 분명히 영향을 미칩니다. 영화. VTO는 VO보다 입자 크기가 더 큽니다(그림 5b). 이것은 Ti 도핑이 VO2의 성장을 촉진한다는 것을 나타냅니다. XRD 데이터와 일치하는 결정자. 이와는 달리 VTRO-3은 VO 및 VTO보다 더 조밀하고 매끄러운 표면 형태를 가지며(그림 5c), 마이크로볼로미터에서 고품질 픽셀을 제작하는 데 선호됩니다. VTRO-3의 조밀한 표면 형태는 Ru 4+ 의 억제 효과에서 비롯되어야 합니다. VO2의 이온 XRD 분석에 의해 밝혀진 바와 같이 결정 성장 상의 격자. 루 4+ 이온은 VO2의 합체를 억제합니다. 결정립계(GB) 이동성을 억제하여 결정립을 제거합니다[24]. VTRO-3은 VO 및 VTO보다 작은 결정자 크기를 가지고 있습니다(표 1). 결과적으로 VTRO-3의 더 작은 입자는 그림 5와 같이 VO 및 VTO보다 밀도가 높은 필름을 구성합니다.
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a에 대한 표면 형태의 SEM 이미지 VO, b VTO 및 c VTRO-3
그림 6a는 도핑되지 않은 VO2에 대한 저항률(ρ)의 온도 의존성을 비교합니다. 필름 및 V1-x-y Tix Ruy O2 박막. VO에는 다결정질 VO2의 전형적인 SMT 기능이 있습니다. SMT 진폭(26 °C에서 저항률 대 90 °C에서의 저항 비율)이 약 3차수이고, 히스테리시스 폭이 13.4 °C이고, SMT 온도가 72.1 °C인 박막 그림 6b)에서 dln ρ/dT 대 T를 플롯합니다[40,41,42]. 흥미롭게도 Ti 도핑된 박막(VTO)은 RT에서 VO와 동일한 단사정 구조를 가지고 있지만 RT에서 106°C까지 온도에 따른 저항률의 급격한 변화를 나타내지 않습니다(그림 6c). 이것은 VO2의 SMT가 고농도 Ti-doping으로 억제됩니다. 비 SMT 기능은 VO2의 SMT로 인한 히스테리시스 및 변형률 변화를 피할 수 있습니다. 마이크로볼로미터의 적용에 가치가 있는 SMT 온도 전반에 걸쳐. Ru로 추가 도핑하면 비 SMT 기능이 V1-x-y에서 유지됩니다. Tix Ruy O2 박막(그림 6c). 더욱이, RT에서 박막의 저항률은 Ru 농도가 증가함에 따라 분명히 감소합니다(표 1). VTRO-3(1.55 Ω·cm)의 RT에서의 저항률은 VO(13.5 Ω·cm)의 1/8에 불과합니다. 일반적으로 다결정막의 비저항은 결정립저항과 GB저항을 포함한다. 필름의 입자 크기가 감소하면 GB 밀도가 증가하여 GB 산란으로 인해 저항이 증가합니다[43]. VTRO-3은 SEM 분석에서 알 수 있듯이 VO보다 작은 입자 크기를 가지고 있습니다(그림 5). VTRO-3의 GB 저항은 증가된 GB 밀도로 인해 VO보다 커야 합니다. 그러나 결정립 크기에 따른 GB 저항률의 예측된 변화 추세는 도핑에 따른 막 저항률의 변화와 모순됩니다. 따라서 GB보다 결정립 저항이 VO2의 저항에서 지배적인 역할을 할 수 있습니다. 다결정 박막. VTRO-3의 현저하게 감소된 저항은 Ru 4+ 의 통합으로 인한 입자 저항의 현저한 감소로 인해 발생할 수 있습니다. 이온. 대체 Ru 4+ 이온은 단사정계 VO2에서 국소 정방 대칭을 유도합니다. 이는 이전 연구[24]에서 입증된 격자입니다. 이는 가전자대의 최대값이 상향 이동하고 V 3d 전자의 상태 밀도가 증가하여 결정립 저항이 현저히 감소합니다. 따라서 VTRO-3은 VO보다 훨씬 낮은 저항을 나타냅니다. 열에 민감한 재료의 낮은 저항은 일반적으로 마이크로볼로미터 장치에 대해 더 작은 노이즈와 더 큰 전기 배율을 나타내므로 마이크로볼로미터의 더 높은 감도를 나타냅니다[2]. 더 중요한 것은 저항이 낮은 VTRO-3은 도핑되지 않은 VO2와 유사한 큰 TCR(3.47%/°C)을 가지고 있다는 것입니다. 박막(VO). 반도체 VO2이기 때문에 합리적입니다. 단사정 구조의 경우 일반적으로 큰 TCR을 나타냅니다[44]. XRD, Raman 및 TEM 분석에 의해 밝혀진 바와 같이, V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 VO와 동일한 단사정 구조를 가짐2 . 따라서 단사정형 VO2로 높은 TCR을 유지합니다. . VTRO-3의 TCR 값은 VOx의 1.7배입니다. 상업용 마이크로볼로미터에 사용되는 박막(약 2%/°C). 이것은 열에 민감한 물질의 TCR에 비례하기 때문에 마이크로볼로미터의 감도를 높이는 데 유용합니다[1]. 따라서 V1-x-y Tix Ruy O2 선호되는 도펀트 농도를 갖는 박막(VTRO-3)은 고성능 마이크로볼로미터용 열에 민감한 물질의 매력적인 특성(SMT 기능 없음, 낮은 저항률 및 높은 TCR)을 가지고 있습니다. 또한 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 표 2와 같이 다른 바나듐 산화물 기반 감열 박막에 비해 우수한 트레이드오프 성능을 나타냅니다. 이는 V1-x-y Tix Ruy O2 마이크로볼로미터용으로 유망한 열 민감성 재료가 될 수 있습니다.
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아 모든 샘플에 대한 ρ의 온도 의존성, b에 대한 dln ρ/dT 대 T의 플롯 VO 및 c VTO 및 VTRO-3
Ti-doped VO2에서 no-SMT 기능이 발생하는 메커니즘을 조사하기 위해 및 V1-x-y Tix Ruy O2 박막에서 VTO 및 VTRO-3의 라만 스펙트럼은 다른 온도에서 획득됩니다. 대조군으로 도핑되지 않은 VO2에 대한 라만 스펙트럼의 온도 의존성 박막(VO)도 그림 7에 나와 있습니다. 고주파 모드 ω3 일반적으로 단사정 VO2의 지문으로 간주됩니다. [36], 온도에 따른 이 피크의 변화를 분석하였다. 도 7a에 나타난 바와 같이 ω3에서 명확한 라만 피크 통합 라만 강도가 RT에서 60 °C로 감소하지만 SMT 전에 VO에 대해 관찰할 수 있습니다. SMT 후 ω3에서 라만 피크 없음 단사정계에서 정방정계 격자로의 완전한 구조적 전환으로 인해 조사될 수 있습니다[39]. 다르게 ω3 피크는 106 °C까지 VTO에 대해 관찰될 수 있습니다(그림 7b). 이것은 단사정 VO2의 존재를 나타냅니다. RT에서 106 °C까지 VTO. Ti 도핑은 VO2의 SMT 온도를 증가시키는 것으로 보고되었습니다. 낮은 도핑 수준 [48, 49]. 그러나 SMT 온도는 도핑 수준이 약 8at% 이상에 도달함에 따라 80–85 °C에서 포화됩니다[37, 50]. 이전 문헌은 Ti 도핑된 VO2의 SMT 진폭을 보여주었습니다. 박막은 금속 상태에 대한 저항률의 현저한 증가로 인해 Ti 도핑 수준에 따라 분명히 감소합니다[48]. 이것은 V-O 결합보다 더 강한 Ti-O 결합에서 비롯될 수 있습니다. VO2의 SMT가 단사정상에서 정방정상으로의 구조적 변형과 관련이 있습니다[51]. 정방정상과 비교하여 단사정상 VO2 2개의 V-V 거리(2.65 및 3.12 Å)를 갖는 지그재그 V-V 사슬이 특징인 현저하게 낮아진 대칭성을 갖는다[51, 52]. SMT 온도에 걸쳐 온도가 상승함에 따라 단사정상의 지그재그 V-V 사슬은 정방정상에서 약 2.85 Å의 고유한 V-V 거리를 갖는 선형 V-V 사슬로 변환됩니다. Ti는 V보다 더 음의 표준 산화물 형성 열을 갖는다[53]. 이것은 Ti-O 결합이 V-O 결합보다 더 안정적임을 나타냅니다. Ti 도핑된 VO2의 경우 , 강한 Ti-O 결합은 고정 효과로 인해 주변의 지그재그 V-V 사슬을 안정화합니다. 이로 인해 일부 단사정계 도메인이 SMT에서 정방 격자로 유지됩니다. 결과적으로 Ti 도핑된 VO2의 SMT 후 저항은 단사정 VO2 이후로 필름은 Ti 도핑 수준에 따라 분명히 증가합니다. 정방형보다 저항이 훨씬 높습니다. Ti의 농도가 VTO의 경우 약 17%와 같이 비교적 높은 값에 도달함에 따라 온도가 VO2의 SMT 온도 이상으로 상승한 후에도 대부분의 단사정 구조가 유지됩니다. . 그 결과 VTO에서 단사정 구조가 106 °C까지 감지될 수 있습니다(그림 7b). 유사한 메커니즘이 V1-x-y에 대해 작동합니다. Tix Ruy O2 Ti 4+ 이후의 박막 VTO와 동일한 농도의 이온이 VTRO 박막에 도핑됩니다. 따라서 VTRO-3에서도 그림 7c와 같이 106 °C까지 단사정 구조를 관찰할 수 있습니다. 단사정 구조의 향상된 안정성은 Ti 도핑된 VO2에서 no-SMT 기능을 유발합니다. 박막 및 V1-x-y Tix Ruy O2 박막.
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a의 온도 의존적 라만 산란 특성 VO, b VTO 및 c 가열 중 VTRO-3
V1-x-y의 낮은 RT 저항 Tix Ruy O2 박막은 Ru 4+ 의 치환 도핑을 통해 단사정 격자의 강화된 국소 대칭으로 인해 발생해야 합니다. 이온 [24]. 그림 8은 VO 및 VTRO-3의 XPS 가전자대(VB) 스펙트럼을 보여줍니다. 그들의 VB 스펙트럼은 넓은 O 2p 밴드와 V 3d 밴드로 구성된 두 영역 구조를 나타냅니다. 약 0.3 eV의 밴드 에지는 도핑되지 않은 VO2의 반도체 상태를 나타냅니다. (VO). VO와 비교하여 V 3d 밴드가 Fermi 레벨로 이동합니다(EF ) VTRO-3에 대해 관찰할 수 있습니다. 또한, VTRO-3에 대한 V 3d 밴드의 적분 강도 대 O 2p 밴드의 강도 비율(6.23%)은 VO(4.62%)보다 큽니다. 이는 VTRO-3에 대한 V3d 대역의 DOS(density of state)가 VO에 비해 증가함을 시사한다[24, 54]. Goodenough의 모델에 따르면 단사정 VO2의 지그재그 V-V 체인 d||의 분할을 유발합니다. V 3d 전자의 밴드를 하부 및 상부 d||로 밴드 갭이 발생하는 밴드. 따라서 단사정 VO2 반도체 상태를 나타냅니다[41, 55]. Ru 4+ 로 도핑 후 이온, 강화된 로컬 대칭은 d||의 분할을 약화시킵니다. 밴드. 이것은 VB의 최대값의 상향 이동과 V 3d 대역의 DOS 증가로 이어집니다[24]. 따라서 더 많은 전자가 VB에서 전도대로 RT에서 점프할 수 있습니다. 따라서 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 박막보다 RT 저항이 훨씬 낮습니다.
<그림>
VO 및 VTRO-3의 XPS VB 스펙트럼. 삽입은 EF 주변의 VB 스펙트럼의 클로즈업 보기입니다.
V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 반응성 마그네트론 공동 스퍼터링 공정에 이어 400 °C에서 어닐링하여 제조되었습니다. 루 4+ 및 Ti 4+ 이온은 VO2에 통합됩니다. 치환에 의한 단사정 격자. 비록 V1-x-y Tix Ruy O2 박막은 도핑되지 않은 VO2와 동일한 단사정 구조를 갖습니다. , Ti 및 Ru 이온의 공존은 필름의 결정자 크기를 감소시킵니다. 그 결과 VO2보다 부드러운 표면 형태가 나타납니다. 박막. Ti 4+ 단사정 VO2의 V-V 사슬에 있는 이온 V-O 결합보다 Ti-O 결합의 더 강한 결합 강도로 인한 고정 효과로 인해 지그재그 V-V 사슬을 어느 정도 안정화합니다. 이것은 Ti 도핑 및 Ti-Ru 공동 도핑 박막의 비 SMT 기능을 제공합니다. V1-x-y Tix Ruy O2 단사정 구조의 박막은 단사정 VO2로 큰 TCR을 나타냅니다. . Ru 도핑으로 인한 향상된 로컬 대칭은 V1-x-y에 대한 훨씬 낮은 RT 저항으로 이어집니다. Tix Ruy O2 thin films than undoped one. V1-x-y Tix Ruy O2 is one of promising thermal-sensitive materials for fabricating high-performance small-pixel microbolometers.
All data and materials are fully available without restriction.
Semiconductor-metal transition
Vanadium dioxide
Temperature coefficient of resistance
실내 온도
Micro-electromechanical system
Vanadium oxide
직류
X선 광전자 분광법
Binding energies
에너지 분산 X선 분광기
X선 회절
투과전자현미경
주사전자현미경
Selective area diffraction
고속 푸리에 변환
나노물질
초록 마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전력은 마찰전기 물질, 특히 미세구조 및 작용기의 성능에 크게 의존합니다. 이 연구에서는 우수한 마찰 전기 능력을 목표로 층별 적층을 통해 풍부한 플루오르 그룹(-F)을 갖는 교대로 적층된 MXene 복합 필름 기반 TENG를 설계 및 제조합니다. Nb2의 양이 많을 때 균일한 고유 미세구조와 증가된 유전 상수의 이점 CTx 나노시트는 Nb2를 기반으로 하는 TENG가 15wt%로 증가합니다. CTx /Ti3 C2 Tx 복합 나노 시트 필름은 최대 출력을 달성합니다. 8.06μA/c
빠르게 발전하는 CNC 기술은 특히 CNC 공작 기계 및 소프트웨어에서 모든 곳에서 혁신을 주도하고 있습니다. 혁신하고 경쟁력을 유지하기 위한 핵심은 시장 요구에 적응하는 기술 동향을 활용하는 것입니다. 화천은 기술과 시장 수요에 의해 구동되며 우리의 공동 사명은 제조 회사의 작업 현장에 더 나은 품질의 제품을 제공하는 것입니다. 화천의 성공적인 하이테크 라인 – 하이테크 750의 최신판. 모든 축에 15 – 24” 척과 솔리드 박스 가이드 웨이가 있는 CNC 선반. HI-TECH 750의 탄생은 10여 년 전에 출시된 매우
