단사정계 V₁₋ₓ₋ᵧTiₓRuᵧO₂ 박막: 마이크로볼로미터용 우수한 열 감도

초록

높은 온도 저항 계수(TCR)와 낮은 저항률을 가진 열감지 박막을 고도로 호환 가능한 공정으로 제조하는 것은 작은 픽셀 마이크로볼로미터의 감도 증가에 유리합니다. 여기서는 반응성 스퍼터링 공정 후 400°C 산소 분위기에서 어닐링을 통해 단사정계 구조, 높은 TCR, 낮은 저항률을 가진 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 열감지 박막을 제조하는 효과적이고 공정 호환적인 접근법을 보고합니다. X선 광전자 분광법은 Ti⁴⁺와 Ru⁴⁺ 이온이 VO₂에 결합됨을 보여줍니다. X선 회절, 라만 분광법, 투과 전자 현미경은 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막이 비도핑 VO₂와 같은 단사정계 격자 구조를 가짐을 드러냅니다. 그러나 고농도 Ti의 단사정계 격자 내 피닝 효과로 인해 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막은 실온(RT)에서 106°C까지 SMT 특성이 없습니다. 또한 V_0.8163Ti_0.165Ru_0.0187O₂ 박막의 실온 저항률은 비도핑 VO₂ 박막의 1/8에 불과하며, TCR은 3.47%/°C로 높습니다.

서론

마이크로볼로미터는 민간 및 군사 분야에 널리 적용되어 왔습니다. 중요한 개발 동향 중 하나는 제품 비용 절감과 탐지 범위 증가를 위해 픽셀 크기를 줄이는 것입니다[1]. 그러나 소형화는 감도 감소를 초래합니다. 미세전자기계시스템(MEMS) 제조 공정 개선으로 충진 계수, 흡수 계수, 열전도율 등 핵심 요소를 최적화하면 감도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만, 이 접근법은 한계에 도달하고 있습니다[1]. 또 다른 효과적인 방법은 더 나은 열감지 소재를 사용하는 것입니다[2]. 널리 사용되는 열감지 소재인 VO_x는 0.1-5.0 Ω·cm 범위의 비교적 낮은 저항률로 실온에서 약 2%/°C의 TCR을 가집니다[3]. 마이크로볼로미터 감도가 TCR에 비례하므로, 작은 픽셀 마이크로볼로미터 감도 증가를 위해 더 높은 TCR 열감지 소재 사용이 더 유리합니다. VO_x 박막 TCR 증가를 위해 Jin 등은 바이어스 타겟 이온 빔 증착으로 Mo 도핑 VO_x 박막 제조[3]. 이 박막은 -4.5%/°C 높은 TCR을 가지나, 큰 저항률(>1000 Ω·cm)은 마이크로볼로미터 응용에 바람직하지 않습니다.

일반적인 VO_x 기반 볼로미터 어레이 제조를 위해, VO_x 열감지 박막을 패시베이션 층(SiN_x 또는 SiO_x)으로 덮어 후속 공정(포토레지스트 제거, 희생층 제거 등)에 의한 산화로부터 열감지 박막을 보호해야 합니다[4]. 패시베이션 층 보호 효과는 막 밀도에 의존합니다. 더 조밀한 패시베이션 층이 더 좋은 보호 효과. 일반적으로 높은 제조 온도가 더 조밀한 패시베이션 층에 기여[5, 6], 따라서 VO_x 박막에 더 좋은 보호 효과. 그러나 VO_x 열감지 박막은 일반적으로 상대적으로 낮은 온도(300°C 미만)에서 제조되어 비정질입니다[3, 7, 8]. 반면 비정질 VO_x는 고온에서 결정화 경향[9]. 결정화 발생 시 박막 전기적 매개변수 크게 변경. 따라서 VO_x 열감지 박막의 상대적으로 낮은 제조 온도는 패시베이션 보호 층 공정을 제약합니다. 이는 볼로미터 어레이 제조에 성가신 문제를 야기: 후속 공정에 대한 매우 엄격한 제어.

단사정계 이산화 바나듐(VO₂) 박막은 실온(RT)에서 높은 TCR로 고감도 마이크로볼로미터 잠재적 열감지 소재로 고려되어 왔습니다. 또한 단사정계 VO₂ 박막은 300°C 이상에서 제조[10], 이는 더 높은 온도에서 더 조밀한 패시베이션 보호 층 제조에 유리합니다. 그러나 단사정계 VO₂의 두 특성이 마이크로볼로미터 실용적 응용을 어느 정도 제한합니다. 한편, VO₂는 약 68°C 근처에서 반도체-금속 전이(SMT) 발생. VO₂ SMT의 히스테리시스 특성과 변형 변화는 소자 성능 열화와 신뢰성 감소 초래[11]. 다른 한편, 상대적으로 높은 실온 저항률(>10 Ω·cm)은 소자 동작 매개변수 선택 제한[12, 13]. 따라서 높은 TCR, 비-SMT, 낮은 저항률, 결정 구조를 가진 이산화 바나듐 박막 제조는 고성능 열감지 소재 개발을 위한 도전 과제입니다. 최근 Soltani 등은 VO₂ 박막에 Ti와 W 도입하여 SMT 억제[14], 비-SMT 특성과 높은 TCR 가진 Ti-W 공동 도핑 VO₂ 박막 제조. 그러나 Ti-W 공동 도핑 VO₂ 박막은 비도핑 VO₂와 유사한 저항률 가짐.

본 논문에서는 Ti와 Ru 이온을 VO₂ 박막에 도입하는 SMT 억제 전략을 통해 고성능 단사정계 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 열감지 박막을 입증합니다. 박막은 반응성 스퍼터링 공정 후 400°C 어닐링으로 제조. 비정질 VO_x 박막보다 높은 공정 온도는 볼로미터 소자 후속 MEMS 공정 매개변수 선택 폭 넓힘. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막은 비도핑 VO₂와 유사한 단사정계 구조이나, 고농도 도펀트 피닝 효과로 SMT 특성 완전히 억제. 최적 도펀트 농도 박막은 상용 VO_x 박막보다 높은 TCR(3.47%/°C)과 비도핑 단사정계 VO₂ 박막보다 훨씬 낮은 실온 저항률 가짐.

재료 및 방법

모든 박막은 석영 기판(23mm × 23mm × 1mm)에서 직류(DC) 반응성 마그네트론 스퍼터링으로 제조. 지름 80mm, 두께 4mm 고순도 바나듐 타겟(99.99%) 사용, 타겟-기판 거리 약 11.5cm. 기본 압력 2.0×10⁻³ Pa 이하 후, O₂/Ar 비율 1:50으로 0.32A에서 스퍼터링 실행. 증착 중 기판 온도 100°C 유지. 증착 후 박막을 순수 산소(4.4sccm)에서 400°C로 60분 in situ 어닐링. 보정된 증착 속도에 따라 박막 두께 약 380nm 제어. 순수 Ti 조각(99.9% 순도, 10mm×10mm×2mm)과 V/Ru 합금 조각(10.0at.% Ru, 90.0at.% V, 10mm×10mm×2mm)을 V 타겟 스퍼터링 표면에 대칭 배치하여 Ti와 Ru 도입. V/Ru 합금 조각 1, 2, 3개 및 Ti 조각 3개 사용 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막을 VTRO-1, VTRO-2, VTRO-3, Ti 도핑 박막(VTO, Ti 조각 3개), 비도핑 VO₂ 박막(VO)으로 명명.

박막 도펀트(Ti, Ru) 화학 상태는 Al Kα 방사선(1486.6eV) 사용 ESCALAB 250(Thermo 기기) X선 광전자 분광법(XPS) 분석. 결합 에너지(BEs) 모험적 탄소 C 1s 피크 284.6eV로 보정. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 도펀트 농도 에너지 분산형 X선 분광법(EDS) 확인. 박막 결정 구조 X선 회절(XRD, Bruke D8 회절계, Cu Kα 조사) 및 투과 전자 현미경(TEM, Titan G2 60-300) 조사. 라만 스펙트럼 514nm 여기 파장, 약 0.5mW 조사 전력 컨포칼 α-라만 분광계(Renishaw inVia) 특성화. 샘플 표면 형태 주사 전자 현미경(SEM, SU8020, Hitachi) 관찰. 박막 두께와 시트 저항에 따라 2°C 온도 간격으로 온도 의존 저항률 획득, 4점 프로브(SX1934)와 가열판으로 기록.

결과 및 논의

박막 내 도펀트 화학 상태 XPS 분석으로 결정. 그림 1a VO, VTO, VTRO-3 XPS 서베이 스펙트럼, V2p, O1s, Ti2p, C1s 강한 피크 명확히 보임. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 Ru 3d 피크가 C 1s 피크 근처 약 281.4eV 어깨 신호로 관찰[15]. VTRO-3 Ti 2p 피크와 Ru 3d 피크로 Ti⁴⁺와 Ru⁴⁺ 이온 VO₂ 격자 성공적 결합 입증(그림 1b, c). Ti 2p_1/2 피크 464.0eV, Ti 2p_3/2 피크 458.3eV, Ti 2p 이중항 분리 에너지 5.7eV로 VTO와 VTRO-3 Ti⁴⁺ 이온 산화 상태 지시[16]. 그림 1c VTRO-3 Ru 3d XPS 스펙트럼. 281.4eV 결합 에너지는 VTRO-3 Ru⁴⁺ 이온 존재 시사[16]. Ti와 Ru 원소 존재 EDS 분석으로 추가 검증(그림 1f). 모든 샘플 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 도핑 농도(Ti, Ru 원소 x, y) EDS 분석 결과 표 1에 나열. 고농도 Ti V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 도입. 박막 Ru 도핑 수준 V/Ru 합금 조각 수 변화로 잘 제어.

a VO, VTO, VTRO-3 XPS 서베이 스펙트럼, 디컨볼루션 XPS 스펙트럼 b Ti 2p, c Ru 3d VTRO-3, d V 2p_3/2 XPS 스펙트럼 VO 및 VTRO-3, e VTRO-3 EDS 스펙트럼

또한 Shirley 함수[17,18,19] 사용 디컨볼루션 V 2p_3/2 피크로 박막 바나듐 이온 산화 상태 분석. 그림 1d, e VO 및 VTRO-3 고해상도 V 2p_3/2 XPS 스펙트럼. V 2p 스펙트럼 모두 517.4eV(V⁵⁺ 지시) 및 516.1eV(V⁴⁺ 지시) 두 피크 구성[20]. V⁵⁺ 이온 출현은 공기 중 보관 중 샘플 표면 자연 산화 기인[21, 22]. 구체적으로, 그림 1d, e V 2p 피크 적분 강도 추정 VO 및 VTRO-3 V⁵⁺ 종 상대 함량 각각 34.5%와 28.0%. VO 및 VTRO-3 V⁴⁺ 종 상대 함량 각각 65.5%와 72.0%. 이는 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막이 비도핑 VO₂보다 높은 안정성 가짐 나타냄.

결정 구조 확인 위해 모든 샘플 XRD 패턴 수집(그림 2a). 모든 박막 VO₂ 단사정계 구조(PDF No. 43-1051)[23] 나타냄. 모든 박막 (011) 피크 다른 피크보다 높은 강도, (011) 면 우선 성장 드러냄. 다른 바나듐 산화물(V₂O₃, V₂O₅)[22] 또는 티타늄/루테늄 산화물 상 회절 피크 검출 안됨[24]. 또한 XPS 탐지 V⁵⁺ 이온에도 XRD 패턴 V₂O₅ 상 특징적 피크 없음 주목. XPS 표면 민감 기술, XRD 전체 샘플 격자 구조 드러냄 고려 시, V⁵⁺ 이온 존재는 보관 중 표면 산화 유래, 이전 보고처럼 샘플 표면만 존재[24,25,26,27].

a 모든 샘플 XRD 패턴, b 모든 샘플 (011) 피크 근접 뷰

그림 2b 로렌츠 함수 피팅 후 모든 샘플 (011) 피크 근접 뷰 추가 표시. VO 대비 VTO (011) 회절 피크 27.78°에서 27.76°로 이동. 이는 Ti 도핑이 단사정계 VO₂ Ti 치환 존재로 (011) 면 면간 간격 약간 증가 유발 시사[28, 29]. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 경우 (011) 면 피크 위치 더 큰 각도 방향 이동(VO 27.78°에서 VTRO-2 27.86°로), (011) 면 격자 면간 간격 변화 나타냄. 이는 더 큰 이온 반경 Ru⁴⁺가 단사정계 격자 일부 V⁴⁺ 이온 대체 기인. 셰러 공식으로 (011) 면 회절 데이터에서 셰러 방정식[30]으로 평균 결정립 크기 추정. VTO가 VO보다 큰 결정립 크기(표 1). Ti 도핑 VO₂ 결정립 성장 촉진 드러냄. 그러나 Ru 첨가 박막 결정립 크기 감소. Ru 농도 증가에 따라 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막(VTRO-1, VTRO-2, VTRO-3) 점진적 결정립 크기 감소. 이전 연구 Ru⁴⁺ 이온 VO₂ 격자 Ru 도핑 VO₂ 박막 VO₂ 결정립 성장 억제 입증[24]. 유사하게 Ru⁴⁺ 이온 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 인접 결정립 합병 억제, 결정립 크기 감소.

VO 및 VTRO-3 단사정계 격자 직접 관찰 TEM 분석[31,32,33] 수행. 그림 3a, b VO 및 VRTO-3 선택 영역 회절(SAD) 패턴. 단사정계 VO₂ 인덱싱 가능한 뚜렷한 데바이-셰러 회절 링 시리즈 나타냄. 비도핑 VO₂와 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 단사정계 다결정 특징 시사, XRD 분석과 일치. 그림 3c, d 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지 단사정계 VO₂ 명확한 격자 무늬 드러냄. 이는 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막이 비도핑(VO)과 단사정계 구조 가짐 추가 입증[34]. 그러나 그림 3d 삽입 그림 VTRO-3 결정립 국소 격자 무늬 왜곡 보여줌. Ti와 Ru 도펀트 도입이 단사정계 VO₂ 격자 명백한 교란 유발 나타냄.

a, b SAD 패턴, c, d VO 및 VTRO-3 HRTEM 이미지

그림 4 박막 실온 라만 스펙트럼. VO 모든 라만 피크 단사정계 VO₂ A_g 및 B_g 포논 모드 기인[35]. V₂O₅ 라만 모드 관찰 안됨[24]. 세 주요 라만 모드(ω₁ ~193cm⁻¹, ω₂ ~223cm⁻¹, ω₃ ~613cm⁻¹) 도핑 결정 구조 영향 추가 탐구용. Ti 도핑 VO₂ 박막(VTO) VO₂(VO)와 유사한 고주파 포논 모드(ω₃) 가짐, 단사정계 VO₂ 특징. 다르게, VTO 두 저주파 모드(ω₁, ω₂) 비도핑 VO₂ 대비 명백한 적색 편이. 저주파 모드 ω₁, ω₂ V-V 진동 기인[36]. ω₁, ω₂ 적색 편이 Ti⁴⁺ 이온 단사정계 VO₂ 지그재그 V-V 사슬 도입, Ti⁴⁺ 이온 주변 국소 구조 섭동으로 V-V 진동 라만 주파수 감소 나타냄[37].

비도핑 VO₂, Ti 도핑 VO₂, V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 실온 라만 스펙트럼

고주파 포논 모드 ω₃ 여전히 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 관찰, 단사정계 VO₂ 존재 시사. XRD 및 TEM 분석과 일치. 그러나 ω₃ 라만 강도 VO 및 VTO 대비 현저히 감소. 다른 라만 피크 현저히 약화, Ru 농도 증가 따라 소멸. Ti와 Ru 이온 존재로 단사정계 VO₂ 격자 국소 교란 존재 나타냄. 이전 연구 Ru⁴⁺ 이온 VO₂ 격자 단사정계 프레임워크 내 국소 사방정계 대칭 유도 기여 입증[24, 38]. Ru-O 배위 사방정계 VO₂ 거의 동일한 대칭. 사방정계 대칭 단사정계 상보다 낮은 라만 활성[39]. 따라서 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 훨씬 낮은 라만 강도 보임.

그림 5 VO, VTO, VTRO-3 SEM 표면 형태. 비도핑 VO₂ 박막 주로 50-100nm 크기 입자 구성(그림 5a). Ti 도핑 VO₂ 박막 표면 형태 명백 영향. VTO VO보다 큰 입자 크기(그림 5b). Ti 도핑 VO₂ 결정립 성장 촉진 추가 나타냄, XRD 데이터 일치. 다르게 VTRO-3 VO 및 VTO보다 더 조밀하고 매끄러운 표면 형태(그림 5c), 마이크로볼로미터 고품질 픽셀 제조에 유리. VTRO-3 조밀한 표면 형태 XRD 분석 드러난 Ru⁴⁺ 이온 VO₂ 격자 결정 성장 억제 효과 기원. Ru⁴⁺ 이온 결정립 경계(GB) 이동성 억제하여 VO₂ 입자 합병 억제[24]. VTRO-3 VO 및 VTO보다 작은 결정립 크기(표 1). 결과적으로 VTRO-3 더 작은 입자 구성, VO 및 VTO보다 조밀한 박막 형성(그림 5).

a VO, b VTO, c VTRO-3 표면 형태 SEM 이미지

그림 6a 비도핑 VO₂ 박막 및 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 온도 의존 저항률(ρ) 비교. VO 다결정 VO₂ 박막 전형적 SMT 특징, SMT 진폭(26°C 저항률 대 90°C 저항률 비) 약 3개 주문, 히스테리시스 폭 13.4°C, SMT 온도 72.1°C(그림 6b dln ρ/dT vs T 플롯서 얻음)[40,41,42]. 흥미롭게도 Ti 도핑 박막(VTO) 실온에서 106°C까지 온도 따라 저항률 급격한 변화 없음(그림 6c), 실온 VO와 같은 단사정계 구조 가짐에도. 이는 고농도 Ti 도핑으로 VO₂ SMT 억제됨 나타냄. 비-SMT 특징은 VO₂ SMT 온도 전반 SMT로 인한 히스테리시스와 변형 변화 회피 가능, 마이크로볼로미터 응용에 가치. 추가 Ru 도핑으로 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비-SMT 특징 유지(그림 6c). 또한 박막 실온 저항률 Ru 농도 증가 따라 명백 감소(표 1). VTRO-3 실온 저항률(1.55 Ω·cm) VO(13.5 Ω·cm) 1/8 불과. 일반적으로 다결정 박막 저항률 입자 저항률과 GB 저항률 포함. 박막 결정립 크기 감소 GB 밀도 증가, GB 산란으로 저항률 증가[43]. VTRO-3 VO보다 작은 입자 크기(그림 5). VTRO-3 GB 저항률 증가 GB 밀도 따라 VO보다 커야 함. 그러나 입자 크기 따른 GB 저항률 예측 변화 추세 도핑 따른 박막 저항률 변화 모순. 따라서 GB 저항률보다 입자 저항률이 VO₂ 다결정 박막 저항률 주요 역할 가능. VTRO-3 현저히 감소된 저항률 Ru⁴⁺ 이온 결합 입자 저항률 현저 감소 결과일 수 있음. 치환 Ru⁴⁺ 이온 단사정계 VO₂ 격자 국소 사방정계 대칭 유도 기여, 이전 연구 입증[24]. 원자가 밴드 최대값 상향 이동 및 V 3d 전자 상태 밀도 증가, 입자 저항률 현저 감소 결과. 따라서 VTRO-3 VO보다 훨씬 낮은 저항률 나타냄. 열감지 소재 낮은 저항률 일반적으로 마이크로볼로미터 소자 작은 노이즈, 큰 전기적 배율 의미, 높은 마이크로볼로미터 감도[2]. 더 중요하게, 낮은 저항률 VTRO-3 큰 TCR(3.47%/°C) 가짐, 비도핑 VO₂ 박막(VO) 유사. 단사정계 구조 반도체 VO₂ 일반적으로 큰 TCR 나타내므로 합리적[44]. XRD, 라만, TEM 분석 드러난 대로 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비도핑 VO₂와 같은 단사정계 구조, 단사정계 VO₂ 높은 TCR 유지. VTRO-3 TCR 값 상용 마이크로볼로미터 사용 VO_x 박막(약 2%/°C) 1.7배. 열감지 소재 TCR 비례 마이크로볼로미터 감도 증가 가치[1]. 따라서 선호 도펀트 농도 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막(VTRO-3) 고성능 마이크로볼로미터 열감지 소재 매력적 특성(비-SMT, 낮은 저항률, 높은 TCR) 가짐. 또한 표 2 보인 바와 같이 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 다른 바나듐 산화물 기반 열감지 박막 대비 우수한 트레이드오프 성능. 이는 V_1-x-yTi_xRu_yO₂가 마이크로볼로미터 유망 열감지 소재 될 수 있음 나타냄.

a 모든 샘플 ρ 온도 의존성, b VO, c VTO 및 VTRO-3 dln ρ/dT vs T 플롯

Ti 도핑 VO₂ 및 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비-SMT 특징 결과 메커니즘 조사 위해 VTO 및 VTRO-3 다양한 온도 라만 스펙트럼 획득. 대조군 비도핑 VO₂ 박막(VO) 온도 의존 라만 스펙트럼 그림 7 표시. 고주파 모드 ω₃ 일반적으로 단사정계 VO₂ 지문으로 간주[36], 이 피크 온도 변화 분석. 그림 7a 표시된 바와 같이, SMT 전 VO ω₃ 명확한 라만 피크 관찰, 적분 라만 강도 실온에서 60°C 감소. SMT 후 단사정계에서 사방정계 격자 완전 구조 전이[39]로 ω₃ 라만 피크 탐지 불가. 다르게 VTO ω₃ 피크 106°C까지 관찰(그림 7b). VTO 실온에서 106°C까지 단사정계 VO₂ 존재 나타냄. Ti 도핑 저농도에서 VO₂ SMT 온도 증가 보고[48, 49]. 도핑 수준 약 8at% 이상 도달 시 SMT 온도 80-85°C 포화[37, 50]. 이전 문헌 Ti 도핑 VO₂ 박막 SMT 진폭 Ti 도핑 수준 따라 명백 감소, 금속 상태 저항률 현저 증가 기인[48]. 이는 Ti-O 결합 V-O 결합보다 강함 기인 가능. VO₂ SMT 단사정계상에서 사방정계상 구조 변환 연관[51] 잘 알려짐. 사방정계상 대비 단사정계 VO₂ 현저히 낮아진 대칭성, 두 V-V 거리(2.65, 3.12Å) 지그재그 V-V 사슬 특징[51, 52]. 온도 상승 SMT 온도 가로지르면 단사정계 지그재그 V-V 사슬 사방정계상 약 2.85Å 고유 V-V 거리 선형 V-V 사슬 변환. Ti V보다 더 음수 산화물 표준 생성열[53]. Ti-O 결합 V-O 결합보다 안정적 지시. Ti 도핑 VO₂ 강 Ti-O 결합 피닝 효과로 주변 지그재그 V-V 사슬 안정화. 일부 단사정계 도메인 사방정계 격자 전반 SMT 유지 유발. 결과 Ti 도핑 VO₂ 박막 사후 SMT 저항률 Ti 도핑 수준 따라 명백 증가, 단사정계 VO₂ 사방정계보다 훨씬 높은 저항률 가짐. Ti 농도 상대적 높은 값(예: VTO 약 17%) 도달 시 대부분 단사정계 구조 VO₂ SMT 온도 이상 유지. 결과 VTO 106°C까지 단사정계 구조 검출 가능(그림 7b). 유사 메커니즘 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 작동, VTO 동등 농도 Ti⁴⁺ 이온 VTRO 박막 도핑. 따라서 VTRO-3 106°C까지 단사정계 구조 관찰 가능(그림 7c). 단사정계 구조 향상된 안정성 Ti 도핑 VO₂ 박막 및 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비-SMT 특징 유발.

가열 중 a VO, b VTO, c VTRO-3 온도 의존 라만 산란 특성

V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 낮은 실온 저항률 Ru⁴⁺ 이온 치환 도핑 통한 단사정계 격자 국소 대칭성 향상 결과[24]. 그림 8 VO 및 VTRO-3 XPS 원자가 밴드(VB) 스펙트럼. VB 스펙트럼 두 영역 구조, 넓은 O 2p 밴드 및 V 3d 밴드 구성. 약 0.3eV 밴드 에지 비도핑 VO₂(VO) 반도체 상태 드러냄. VO 대비 VTRO-3 V 3d 밴드 페르미 준위(E_F) 방향 이동 관찰. 또한 VTRO-3 V 3d 밴드 적분 강도 대 O 2p 밴드 적분 강도 비율(6.23%) VO(4.62%)보다 큼. 이는 VTRO-3 V3d 밴드 상태 밀도(DOS) VO 대비 증가 시사[24, 54]. 굿이너프 모델 따라 단사정계 VO₂ 지그재그 V-V 사슬 V 3d 전자 d_|| 밴드 하위 및 상위 d_|| 밴드 분할, 밴드갭 결과. 단사정계 VO₂ 반도체 상태 나타냄[41, 55]. Ru⁴⁺ 이온 도핑 후 향상된 국소 대칭성 d_|| 밴드 분할 약화. 원자가 밴드 최대값 상향 이동 및 V 3d 밴드 DOS 증가 결과[24]. 따라서 실온에서 더 많은 전자 VB에서 전도 밴드 이동 가능. 따라서 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비도핑 대비 훨씬 낮은 실온 저항률.

VO 및 VTRO-3 XPS VB 스펙트럼. 삽입 그림 E_F 주변 VB 스펙트럼 근접 뷰

결론

V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 반응성 마그네트론 공동 스퍼터링 공정 후 400°C 어닐링으로 제조. Ru⁴⁺와 Ti⁴⁺ 이온 치환으로 VO₂ 단사정계 격자 결합. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비도핑 VO₂와 같은 단사정계 구조이나, Ti와 Ru 이온 공존 박막 결정립 크기 감소. VO₂ 박막보다 매끄러운 표면 형태 결과. 단사정계 VO₂ V-V 사슬 Ti⁴⁺ 이온 강한 Ti-O 결합 V-O 결합보다 강해 피닝 효과로 지그재그 V-V 사슬 일부 안정화. Ti 도핑 및 Ti-Ru 공동 도핑 박막 비-SMT 특징 유발. 단사정계 구조 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 단사정계 VO₂처럼 큰 TCR 나타냄. Ru 도핑 향상된 국소 대칭성 V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 박막 비도핑 대비 훨씬 낮은 실온 저항률 유도. V_1-x-yTi_xRu_yO₂ 고성능 소형 픽셀 마이크로볼로미터 제조 유망 열감지 소재 중 하나.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터와 재료는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.

약어

SMT:

반도체-금속 전이

VO₂:

이산화 바나듐

TCR:

온도 저항 계수

RT:

실온

MEMS:

미세전자기계시스템

VO_x:

산화 바나듐

DC:

직류

XPS:

X선 광전자 분광법

BEs:

결합 에너지

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법

XRD:

X선 회절

TEM:

투과 전자 현미경

SEM:

주사 전자 현미경

SAD:

선택 영역 회절

FFT:

고속 푸리에 변환