CN104928636A - 一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，是将抗反射仿生表面与二氧化钒的相变特性相结合，采用提拉镀膜的方法制备低成本，大面积的抛物线形二氧化硅抗反射仿生表面，接着在仿生表面上通过磁控溅射和快速热处理沉积一层二氧化钒薄膜，与刻蚀的方法相比，本发明中使用的提拉镀膜的方法成本低，形成的仿生表面排列整齐且面积大，方法较为简单，所需控制的工艺条件较少，且易于控制。本发明将抛物线形二氧化硅抗反射仿生表面的增透性能与二氧化钒的相变特性相结合，制备出一种二氧化钒增透薄膜，与平面薄膜相比，透射率有明显的增强。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法。
背景技术
二氧化钒在68℃时会发生从低温的半导体态向高温金属态的转变，同时伴随着从单斜金红石到四方金红石的结构变化。与此同时，二氧化钒在近红外波段的光学特性也会发生巨大的改变，即从对光的高透射变为高反射。这种性质使得二氧化钒成为制备智能窗等器件的理想光学功能材料。为了实现在上述领域中更好的应用，在确保二氧化钒相变前后透射率具有高的变化量的前提下，如何增加室温下薄膜的透射率成为人们研究的热点。
在自然界中，周期性的微纳米结构有很多并对各类生物的生存起到至关重要的作用。这为科学家们提供了灵感，通过对这些结构进行模仿，制备出了各种仿生器件，并得到十分广泛的应用。其中人们对昆虫的复眼进行了研究，发现在角膜上布满了排列整齐的奶嘴型阵列。这种阵列可以在空气和角膜之间形成一种渐变的折射率。当光入射到昆虫眼中时，这种独特的结构可以减少昆虫复眼对光的反射，增加透射，从而使得昆虫在夜间活动时对光的敏感性增强。科学家们对这种结构进行模仿，制备出了锥形、抛物线形等仿生表面，测试结果显示出明显的抗反射现象。
到目前为止，利用这种抗反射仿生表面来提高二氧化钒薄膜透射率的研究少有报道。同时为了更好的应用到现实生活中，用较低的成本制备大面积的周期性抗反射仿生表面并且能够用来增强二氧化钒薄膜的透射率是目前需要解决的关键问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，克服现有技术中制备二氧化钒薄膜成本高、透射率低的问题。
本发明的技术方案是：
一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)三氧化二铝基片和载波片的清洗：
将三氧化二铝基片和载波片依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗15-20分钟，放入无水乙醇中备用；载波片放入配制好的5-10％十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24h以上，作为引流片备用；
(2)制备抛物线形二氧化硅仿生表面：
采用提拉镀膜的方法，在三氧化二铝基片上均匀排列一层二氧化硅纳米球；
(3)磁控溅射金属钒薄膜：
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，在上述步骤(2)中整片三氧化二铝基片上沉积一层金属钒薄膜；
(4)快速热处理形成二氧化钒薄膜：
将步骤(3)中得到的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为400-500℃，升温速率为40-50℃/s，保温时间为120-180s，降温时间100-120s，反应气体为氧气，升温和保温时氧气流量为3-4slpm,降温时氧气流量为10slpm,将金属钒薄膜氧化成二氧化钒薄膜。
所述步骤(2)是指二氧化硅球浸泡在无水乙醇中存放，使用时将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜***去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为80-180μm/min。
所述步骤(3)磁控溅射金属钒薄膜的条件是：所用靶材为质量纯度为99.99％的金属钒，抽本体真空至(3.0-6.0)×10-4pa；通入氩气作为工作气体，流量为45-60sccm；工作压强为2.0-3.0pa时开始溅射，溅射时间为10-30分钟；氩气的质量纯度为99.99％，沉积金属钒薄膜采用超高真空对靶磁控溅射设备。
所述步骤(4)中氧气的质量纯度为99.999％。
本发明的有益效果为：1)与刻蚀的方法相比，本发明中使用的提拉镀膜的方法成本低，形成的仿生表面排列整齐且面积大，方法较为简单，所需控制的工艺条件较少，且易于控制。
2)本发明将抛物线形二氧化硅抗反射仿生表面的增透性能与二氧化钒的相变特性相结合，制备出一种二氧化钒增透薄膜，与平面薄膜相比，透射率有明显的增强。
附图说明
图1是实施例1三氧化二铝基片和带有仿生表面的三氧化二铝基片的透射光谱图；
图2是实施例1中二氧化钒薄膜沉积在单个二氧化硅纳米球上的透射电子显微镜照片；
图3是实施例1中样品的扫描电子显微镜照片，图中a为二氧化钒增透薄膜，b为作为对照的平面薄膜；
图4是实施例1中样品的近红外变温透射光谱图；
图5是实施例2中样品的扫描电子显微镜照片，图中a为二氧化钒增透薄膜，b为作为对照的平面薄膜；
图6是实施例2中样品的近红外变温透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细的说明。
本发明所用原料均采用市售化学纯试剂。
实施例1
(1)三氧化二铝基片和载波片的清洗：
将三氧化二铝基片和载波片依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗15分钟，放入无水乙醇中备用；载波片放入配制好的10％十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中浸泡24h以上，作为引流片备用；
(2)制备抛物线形二氧化硅仿生表面：
采用提拉镀膜的方法，在三氧化二铝基片的下半部分上均匀排列一层二氧化硅纳米球，上半部分作为对照不进行排球；二氧化硅球浸泡在无水乙醇中存放，使用时通过移液枪将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜***去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为100μm/min。不带有仿生表面的三氧化二铝基片和带有仿生表面的三氧化二铝基片的透射率如图1所示；
(3)磁控溅射金属钒薄膜
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，在上述步骤(2)中整片三氧化二铝基片上(包括排球的部分和未排球的部分)沉积一层金属钒薄膜；所用靶材为质量纯度为99.99％的金属钒。抽本体真空至4.0×10-4pa；通入氩气作为工作气体，流量为48sccm；工作压强为2.0pa时开始溅射，溅射时间为20分钟；
(4)快速热处理形成二氧化钒薄膜：
将步骤(3)中得到的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为450℃，升温速率为50℃/s，保温时间为110s，降温时间100s，反应气体为氧气，升温和保温时氧气流量为3slpm,降温时氧气流量为10slpm,将金属钒薄膜氧化成二氧化钒薄膜。
实施例1中带有仿生表面的三氧化二铝基片的透射率，在波长为2500nm时，透射率为91.89％，与不带有仿生表面的三氧化二铝基片的透射率相比，增加了6.7％。
实施例1中二氧化钒薄膜沉积在单个二氧化硅纳米球上形成了一种抛物线形纳米结构，如图2。
实施例1制得的二氧化钒增透薄膜，由于二氧化硅仿生表面的存在，形成了一种类似阵列的纳米结构。增透薄膜的每一个抛物面上形成类似方形的颗粒，与对照组的平面薄膜的不规则的片状结构相比，形状更加规则、整齐，如图3所示。
由实施例1所制备的二氧化钒增透薄膜，在波长为2500nm时，透射率为77.4％，比对照组平面薄膜增强了8.4％，如图4。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤4)中升温和保温时氧气流量为3.5slpm，
实施例2制得的二氧化钒增透薄膜，其表面形貌实施例1相似，但其颗粒较实施例1中更小更均匀。如图5所示。
由实施例2所制备的二氧化钒增透薄膜，在波长为2500nm时，透射率为79.5％，比对照组平面薄膜增强了11.1％，如图6。
Claims (4)
1.一种利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)三氧化二铝基片和载波片的清洗：
将三氧化二铝基片和载波片依次放入无水乙醇、丙酮溶剂中分别超声清洗15-20分钟，放入无水乙醇中备用；载波片放入配制好的5-10％十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24h以上，作为引流片备用；
(2)制备抛物线形二氧化硅仿生表面：
采用提拉镀膜的方法，在三氧化二铝基片上均匀排列一层二氧化硅纳米球；
(3)磁控溅射金属钒薄膜：
以金属钒作为靶材，采用对靶磁控溅射的方法，在上述步骤(2)中整片三氧化二铝基片上沉积一层金属钒薄膜；
(4)快速热处理形成二氧化钒薄膜：
将步骤(3)中得到的样品放入快速退火炉中，设置退火温度为400-500℃，升温速率为40-50℃/s，保温时间为120-180s，降温时间100-120s，反应气体为氧气，升温和保温时氧气流量为3-4slpm,降温时氧气流量为10slpm,将金属钒薄膜氧化成二氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)是指二氧化硅球浸泡在无水乙醇中存放，使用时将二氧化硅—无水乙醇溶液滴加到斜***去离子水中的引流片上，并缓缓流到水面,在水面铺展开来，形成高密度、大面积的单层二氧化硅球，静置待液面稳定后,用镀膜提拉机缓慢的将三氧化二铝基片的下半部分浸没在溶液中并竖直提拉出液面，提拉速度为80-180μm/min。
3.根据权利要求1所述利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(3)磁控溅射金属钒薄膜的条件是：所用靶材为质量纯度为99.99％的金属钒，抽本体真空至(3.0-6.0)×10-4pa；通入氩气作为工作气体，流量为45-60sccm；工作压强为2.0-3.0pa时开始溅射，溅射时间为10-30分钟；氩气的质量纯度为99.99％，沉积金属钒薄膜采用超高真空对靶磁控溅射设备。
4.根据权利要求1所述利用抗反射仿生表面制备二氧化钒增透薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(4)中氧气的质量纯度为99.999％。
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