二氧化钌薄膜热处理过程中的物相变化
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》范文
《电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能调控》篇一一、引言随着科技的发展，材料科学在众多领域中发挥着越来越重要的作用。
其中，二氧化钒（VO2）薄膜因其独特的相变性能，在光电器件、微电子、热调控等多个领域有着广泛的应用前景。
然而，如何有效调控其相变性能成为了一个重要的研究方向。
近年来，电子注入法因其简单易行、操作性强等特点，在调控二氧化钒薄膜相变性能方面显示出巨大潜力。
本文旨在探讨电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控机制及其应用。
二、电子注入法的基本原理电子注入法是一种通过向材料中注入电子来改变其电子结构和物理性能的方法。
在二氧化钒薄膜中，通过电子注入，可以改变其内部的电子密度和能带结构，从而影响其相变性能。
该方法的优点在于操作简单、可控性强，且对材料本身的损伤较小。
三、电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控（一）实验方法本实验采用电子注入法对二氧化钒薄膜进行调控。
首先，制备出高质量的二氧化钒薄膜；然后，利用电子束或电流源向薄膜中注入不同剂量和能量的电子；最后，通过一系列表征手段，如X射线衍射、拉曼光谱、透射电镜等，分析电子注入前后薄膜的相变性能变化。
（二）实验结果与讨论实验结果表明，通过电子注入法可以有效地调控二氧化钒薄膜的相变性能。
具体来说，随着电子注入剂量的增加，二氧化钒薄膜的相变温度逐渐降低，相变过程也变得更加明显。
此外，电子注入还可以改变二氧化钒薄膜的电阻率、光学性质等性能。
这些变化主要归因于电子注入引起的内部电子结构和能带结构的变化。
（三）机理分析根据实验结果和文献报道，我们认为电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控机制主要包括两个方面：一是电子注入改变了二氧化钒薄膜内部的电子密度和能带结构，从而影响了其相变过程；二是电子注入引起的局部晶格畸变和缺陷产生，进一步影响了薄膜的相变性能。
四、应用前景与展望电子注入法对二氧化钒薄膜相变性能的调控为材料科学领域提供了新的思路和方法。
首先，通过调节电子注入的剂量和能量，可以实现对二氧化钒薄膜相变温度的精确调控，从而满足不同应用场景的需求；其次，二氧化钒薄膜在光电器件、微电子、热调控等领域具有广泛的应用前景；最后，电子注入法具有简单易行、操作性强等优点，为其他材料的性能调控提供了新的思路和方法。
不同升温热处理方式二氧化钒薄膜的制备与光学相变性能
红外与毫米波学报
J. Infrared M illi m. W aves
V o.l 29, N o . 6 D ece m ber , 2010
不同升温热处理方式二氧化钒薄膜的 制备与光学相变性能
引言
二氧化钒 ( VO2 ) 薄膜在热驱 动下具有半导体 金属相转变特性
[ 1]
目前用于制备 VO2薄膜的方法有很多种, 主要 包括溅射法、 脉冲激光法、 化学气相沉积法和溶胶 凝胶法等 . 其中离子束溅射方法在半导体器件制作 过程中应用广泛, 易于获得高质量的氧化钒薄膜 . 热 处理是改变氧化钒薄膜结晶结构和组分 , 使薄膜具 有相变特性的常用手段
梁继然
1, 2
,
胡
明 ,
1
王晓东 ,
2
阚
强 ,
2
李贵柯 ,
2
陈弘达
2
( 1. 天津大学 电子信息工程学院 , 天津
300072; 2. 中国科学 院半导体研究所 , 北京
100083)
摘要 : 采用双离子束溅射方法制备氧化钒薄膜 , 分别利用常规和快速两种升温方式对 氧化钒薄膜 进行热处理 , 利用 傅里叶变换红外光谱技 术对热处理后氧化钒薄 膜的变 温光学 透射性能 进行测 试 , 并对 5 m 波长处 透过率 随温度 的变化曲线进行相变特性分析 . 实验结果表明 , 经过常规和快速升温热处理后均获得 了二氧化钒 薄膜 ; 快速升温热 处理后得到的薄膜中二 氧化钒晶粒较小 , 尺寸分布均匀 ; 而常 规升温 热处理 后的二 氧化钒 薄膜中晶 粒尺寸 分布较 宽、 常规和快速升温热处理后 , 氧 化钒薄膜的光透过率均存在可 逆突变特性 , 变化 幅度均超 过 60% . 相变性 能分析 结果表明 , 快速升温热处理获得的二氧化钒薄膜相变持续 的温度宽 度较大 , 光学相 变温度 为 63. 74 , 高于 常规升 温热处理的 60 . 31 . 关 键 词 : 氧化钒薄膜 ; 红外透 射光谱 ; 快速升温 中图分类号 : O 484; O 434 文献标识码 : A
ruo2制备
ruo2制备Ruo2是一种重要的材料，具有许多应用领域。
制备高纯度的Ruo2是非常重要的，因为它可以使得Ruo2在电子学和化学领域中具有更好的性能。
在本文中，我们将讨论Ruo2的制备方法。
Ruo2的制备方法通常可以分为两种：化学制备和物理制备。
化学制备是利用化学反应合成Ruo2材料。
以硫酸钌为例，一种常见的方法是将硫酸钌和氧化钠混合在一起，然后在高温下煅烧。
这种方法需要高温和高压，而且需要较长的时间才能制备出高纯度Ruo2。
另一个常用的方法是利用氯气气氛将钌粉末暴露在高温下，然后通过水解反应制备出Ruo2。
物理制备是在真空或惰性气体气氛下，将高纯度钌材料蒸发和在表面沉积，最后在高温下热处理获得Ruo2材料。
常用的方法是磁控溅射和蒸发。
磁控溅射是通过将钌材料置于真空腔中，然后在阴极上施加高频电场，使得电极表面形成蒸发的激发气体。
气体原子离开电极表面后，可以沉积在靶材的表面，最终生成Ruo2材料。
这种方法制备出的Ruo2通常比化学方法制备出的纯度更高。
蒸发是利用真空条件下的高温将钌材料熔化，然后在表面上生成Ruo2材料。
这种方法需要高度纯净的钌材料和非常高的真空度。
相对于化学方法和磁控溅射，蒸发的难度更大，但是它可以制备出更均匀和高纯度的Ruo2材料。
总的来说，化学方法和物理方法都可以制备出高纯度的Ruo2材料。
选择合适的方法取决于材料的应用领域，以及制备成本和可用性。
在选择制备方法的时候，需要根据具体情况进行考虑，以确保制备出合适的Ruo2材料。
二氧化钌_石墨烯复合材料超级电容器的性能_邵强
０ 引 言
超级电容器作为一种新型的储能装置，具有寿 命长、能量密度高和可逆性强等特点。随着超级电 容器不断在移动通信、信息技术和航天等领域的应 用 ， ［１－５］ 超级电容器越来越受到人们的关注。 超级 电 容 器 的 电 极 材 料 主 要 有 过 渡 金 属 氧 化 物、碳 材 料 以 及 导 电 聚 合 物 ３ 种。 二 氧 化 钌 （ＲｕＯ２） 是一种典型的金属氧化物 赝 电 容 器 电 极 材 料，它的比电容很高、充放电特征可逆性强，更重 要的是导电 性 能 卓 越。 但 是 ＲｕＯ２ 在 电 化 学 氧 化／ 还原过程中容易发生团聚，内部的颗粒不能完全参 与反应，延缓了反应进程，导致电化学性能大大降 低 。 ［６］ 为了制备低成本、高容量的蓄电池，各 种 导 电材料被应用到制备 ＲｕＯ２ 的复合材料中 ， ［６－１０］ 但 都未能获得 较 大 的 双 电 层 电 容。 石 墨 烯 （ＧＲ） 是 一种具有独特二维结构的新型碳材料，可用于双电 层电容器 。 ［１１－１３］ 利用氧化石墨 （ＧＯ） 化 学 还 原 法 制取的石墨烯不仅具有单层石墨材料柔软多孔的性 能，而且 表 面 含 有 大 量 的 含 氧 基 团 。 ［１４－１６］ 由 于 这 些基团与纳米粒子之间存在较强的化学作用，因此 可以使其 均 匀 地 负 载 在 石 墨 烯 的 表 面 。 ［１７］ 利 用 该 方法 制 备 纳 米 ＲｕＯ２／ＧＲ 复 合 材 料， 不 仅 可 以 使 ＲｕＯ２ 均匀地负载于 石 墨 烯 表 面， 防 止 团 聚 现 象 发 生，充分 显 示 ＲｕＯ２ 的 赝 电 容， 还 可 利 用 间 隔 效 应，减少石墨烯片间的堆积，使复合材料仍具有较 大的表面积，从而获得较高的双电层电容。
镀膜 氧化 退火扩散-概述说明以及解释
镀膜氧化退火扩散-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:镀膜、氧化、退火和扩散是材料科学领域中常见的工艺步骤，它们在改善材料性能、增强功能和应用领域中起着至关重要的作用。
镀膜可以通过在材料表面形成一层保护膜来提高材料的耐腐蚀性能和硬度。
氧化是指材料与氧气发生化学反应，形成氧化物薄膜，可以改善材料的表面性能和稳定性。
退火是一种热处理工艺，通过加热材料至一定温度然后冷却的过程，可以消除材料内部应力和缺陷，提高材料的强度和韧性。
扩散是指在固体材料内部进行原子或分子的迁移，可以改善材料的导电性、磁性等性能，并被广泛应用于半导体、电子器件和功能材料的制备中。
本文将分别介绍镀膜、氧化、退火和扩散的原理、方法和应用，以便更好地了解这些工艺步骤在材料科学中的重要性和作用。
1.2 文章结构：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将对镀膜、氧化、退火和扩散等四个主题进行简要介绍，明确文章的研究对象和目的。
在正文部分，将详细介绍镀膜、氧化、退火和扩散的背景、原理、过程、机制、方法、效果和应用等内容，对四个主题进行深入分析和讨论。
最后，在结论部分，将对整篇文章的要点进行总结，展望未来对这些领域的研究方向和发展趋势。
整篇文章将全面系统地介绍镀膜、氧化、退火和扩散的相关知识，为读者提供全面深入的了解和参考依据。
1.3 目的本文的目的是深入探讨镀膜、氧化、退火和扩散这四个过程在材料科学和工程中的重要性和应用。
通过对每个过程的背景介绍、原理、方法和效果进行分析和总结，我们旨在帮助读者更全面地了解这些过程在材料表面处理及改性中的作用，以及它们在材料性能提升、功能性材料设计和制备过程中的应用前景。
同时，我们希望通过本文的撰写，促进相关领域的研究和技术发展，为材料科学和工程领域的进步贡献一份力量。
2.正文2.1 镀膜2.1.1 背景介绍镀膜是一种常见的表面处理方法，通过在物体表面涂覆一层薄膜来改变其性能或外观。
镀膜可以提高材料的耐腐蚀性、硬度、光学性能等，并在许多领域广泛应用，如电子、光学、汽车等。
氧化钒 相变原理
1 氧化钒相变原理1958年，科学家F.J.Morin在贝尔实验室发现钒和钦的氧化物具有半导体一金属相变特性。
实验表明:促使氧化钒薄膜发生相变的条件是温度,实验得到的二氧化钒薄膜的相变温度点为68℃(T=68℃)。
常温下,VO2薄膜呈现半导体状态,具有四方晶格结构,对光波有较高的透射能力。
当薄膜温度在外界条件促使(例如吸收光能量)下升高到一定温度点t时,薄膜原始状态迅速发生变化,此时VO2薄膜显示金属性质,是单斜晶结构,对光波有较高的反射。
薄膜光谱特性由高透陡变为高反, 如图1所示。
二氧化钒材料在转变逆过程中显示了晶体转变的一般倾向,转变温度取向由高到低,但原子的重新分类并不广泛,原来的原子群仅有轻微的失真。
在过渡温度T c处,原子群的变化迅速且可逆。
二氧化钒(VO2)薄膜晶格结构的变化象所有从单斜晶结构向四方晶格结构转变的材料一样,在电和光特性中伴随有较大的变化。
薄膜相变前后的电导率、光吸收、磁化率及比热等物理性能均有较大的改变。
氧化钒薄膜由半导体到金属态可以进行高速双向可逆转换,并具有高的空间分解能力。
薄膜的转换特性除取决于样品结构和样品成分,同时还取决于样品的制备。
高价氧化物脱氧还原后的膜不均匀且多孔,因而降低了转换特性。
总而言之,氧化钒薄膜相变特性的优劣取决于薄膜的质量。
2 VO2的相变特征2.1 相变晶体学图2表示了四方相VO2(R)和单斜相VO2(M)的晶体结构。
a为高温四方金红石结构，单位晶胞中的8个顶角和中心位置被V4+占据，而这些V4+的位置正好处于由O2-构成的八面体中心。
当VO2发生相变时，V4+偏离晶胞顶点位置，晶轴长度发生改变，β角由90°变为123°，变成单斜结构。
相变后，形成的V-V键不再平行于原来的c r轴，形成折线型的V-V链，钒原子间距离按265pm和3l2pm的长度交替变化，同时a m轴的长度变为原来c r轴的两倍，体积增加约1%。
热力学也证明，VO2相变为一级相变，相变前后具有体积的改变。
旋转涂覆法制备氧化钌电极材料及其性能研究
旋转涂覆法制备氧化钌电极材料及其性能研究李祥;甘卫平;马贺然【摘要】RuO2 film electrodes were prepared by rotation coating method. SEM indicated film thickness is 7.7～8.0μm and the average of adhesion for the film is 18.00MPa through tensile experiment. XRD microstructure analysis shows the thin film ideal annealing temperature is 270℃. Addition, electrochimica experiment indicated excellent cyclic voltammetry and chronoamperometry and impedance of thin film. The thin film specific capacitance and energy dencity power density and inner resistance are 705.3F/g, 141.05Wh/kg,0.41kW/kg,0.4365fΩ,respectively.%采用旋转涂覆工艺制备了RuO2薄膜电极,SEM揭示了RuO2薄膜的厚度为7.7-8.0/μm,拉伸实验测试得该薄膜附着力的平均值为18.00MPa;XRD结构分析表明该薄膜的最理想烧结温度为270℃.此外,进一步的电化学性能测试表明RuO2薄膜的循环伏安、充放电及阻抗性能优良,该薄膜电极的比电容Cp、能量密度W、功率密度P及内阻ESR分别为705.3F/g、141.05Wh/kg、0.41kW/kg、0.436Ω.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2011(042)002【总页数】4页(P339-342)【关键词】旋转涂覆法;氧化钌;薄膜厚度;附着力;电化学性能【作者】李祥;甘卫平;马贺然【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】O614.8自从1971年Trasatti和Buzzanca发现RuO2电极材料具有类似于碳基电容器的矩形循环伏安图，1975年Conway等对氧化钌电极材料的充放电机理进行了研究［1］，此后针对氧化钌电极材料的研究主要体现为比电容的提高及充放电行为。
VO_2外延薄膜的相变调控研究.doc
VO_2外延薄膜的相变调控研究强关联体系是当前凝聚态物理中最突出的问题之一。
二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联过渡金属氧化物,在室温附近(68℃)会发生可逆金属一绝缘相变,相变过程中伴随着晶格结构、电学、光学、磁性的巨大变化。
除了热致相变,V02在一定的电场、光场、应力、载流子注入、元素掺杂等多种外界条件下同样能够触发金属一绝缘转变,且触发条件与VO2本身的形貌、晶面取向、表面结构和吸附等息息相关,这给VO2相变调控的研究提供了多重的实验路径,展示出丰富的物理内涵。
弄清VO2在相变过程中结构转变和电子态变化之间的关系,以及电子-电子关联在其中所起的作用,具有重要的理论价值。
另一方面,接近室温的临界相变温度和优良的相变性质,给VO2提供了广阔的应用前景,诸如智能窗、记忆存储、场效应晶体管、气体传感器等。
本论文的主要内容和取得的成果如下：(1)通过改进分子束外延固态源的电子束蒸发枪,理论模拟了固态源和电子发射灯丝之间的电场分布和电子运动轨迹,优化了电子枪的构型使得高能电子聚焦于固态源的尖端一点,从而获得了稳定可靠、速率可控的原子/分子束流。
在此基础上,利用氧射频-分子束外延设备在蓝宝石衬底上成功的制备了两英寸大小的高质量VO2薄膜,在TiO2,MgF2衬底上生长了应力大小可控的异质外延高取向VO2薄膜,具备优良的电学、光学相变特质。
(2)利用离子液体在二氧化钒单晶薄膜表面构筑场效应(FET)结构,通过控制外加偏压的大小和时间来调控其相变过程。
实验结果表明这种相变过程的调控在宏观尺寸二氧化钒薄膜样品中具有薄膜厚度上的依赖特征,调控过程本质上源于在电场作用下,离子液在较强的界面电势作用下逐渐夺取VO2中的氧原子的过程,晶格中形成的氧空位造成电子掺杂效应,从而触发VO2相变。
通过对这一过程中VO2电学、光学、结构性质异常变化的原位追踪与分析,发现氧空位和与之相联的金属态VO2的形成是一个持续进行的,从空气-薄膜界面到衬底-薄膜界面逐渐渗透的过程,且具有几十纳米的最大渗透深度。
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二氧化钌薄膜热处理过程中的物相变化
2016-07-06 12:33来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部
不同温度处理的薄膜的XRD谱
随着高端电子设备朝小型化、轻量化、高可靠性、长寿命的方向发展，电子器件中的电容器必须向容量大、体积小、功率密度高和脉冲放电性能优异的方向发展。
传统的电容器已经不能满足高端电子设备的要求。
超级电容器的比功率是蓄电池的数十倍，比能量是物理电容器的数百倍，而且具有充放电效率高、能够持续放出大电流、不需要维护保养和寿命长等性能，正在被广泛地应用于航空航天、电子信息技术、绿色环保能源工业、电动汽车等领域。
研究超级电容器有着极其广阔的应用前景和重要的战略意义。
根据电荷的储存机理，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第准(赝)电容器。
双电层电容器使用碳素材料作为电极，比电容为200 F/g左右。
法拉第准电容器使用RuO2、MnO2、NiO和SnO2等金属氧化物作为电极，通过法拉第氧化还原反应完成充放电。
其中，RuO2·H2O电极材料的比电容高达700F/g，比电容大约是碳电极的3倍，比功率比碳电极的大1个数量级；在硫酸电解液中性能稳定，充放电性能优异且循环寿命长。
因此，RuO2·H2O是目前应用于高比能超级电容器性能最优异的电极材料，已显示出非常重要的地位和广阔的应用前景。
RuO2·H2O电极的性能是直接影响超级电容器整体性能的主要因素。
RuO2·H2O占超级电容器制造成本的50%以上。
不同形态结构的RuO2·H2O的比电容相差很大。
对于微孔结构的RuO2·H2O电极材料，电极深层的活性物质能参与快速可逆的氧化还原反应；与晶体结构的RuO2相比，质子更容易在无定形的RuO2·H2O 中自由扩散。
因此，无定形的RuO2·H2O电极材料具有更大的比电容。
目前，制备氧化钌电极材料的方法有电沉积法、涂敷热分解法、Sol-gel法和CVD法等。
采用涂敷热分解等高温方法制备RuO2电极材料，薄膜的结合水含量较低，影响电容特性，且RuO2的用量较大；用Sol-gel法制备RuO2，薄膜附着力较差；CVD法制备RuO2薄膜，反应时间长，不宜批量生产；电沉积法设备要求低，采用RuCl3·3H2O水溶液为电沉积液制备RuO2·H2O薄膜，成本相对较低。
电沉积法制备的初生薄膜成分为RuCl3·cH2O，附着力较差，比电容较小，需要经过热处理将其转变为RuO2·nH2O，以便改善附着力和提高比电容。
但是，若处理温度过高会使RuO2·nH2O晶化，导致比电容快速降低。
中南大学刘泓等人以RuCl3 ·3H2O水溶液为电沉积液，采用直流−示差脉冲组合电沉积技术，通过后续热处理工艺制备超级电容器用钽基RuO2·nH2O
薄膜电极材料。
用X射线衍射仪 (XRD)、红外光谱仪(FTIR)、差热分析仪(DTA)、扫描电镜(SEM)和电化学分析仪，研究前驱体RuCl3·cH2O转化为RuO2·nH2O的物相演变行为以及微观组织形貌和循环伏安性能。
结果表明：随着热处理温度升高，前驱体RuCl3·cH2O通过4步反应转变成RuO2·nH2O薄膜；该薄膜经历从无定形向晶体结构的转变。
经300℃热处理的RuO2·nH2O薄膜电极材料的单位面积质量为2.5 mg/cm2，比电容达到512 F/g；当电压扫描速率从5 mV/s增加到250 mV/s时，其比电容下降34%。