摘　要:　制备了纳米VO2多晶薄膜材料,其相变温度为35℃,实验测量了它的电阻-温度(R-T)曲线和热滞回线,并用随机阻抗网络模型进行了R-T曲线和热滞回线模拟,两者显示出结果一致,表明在低温相变温度35℃下,随机阻抗网络模型适用于纳米VO2多晶薄膜R-T曲线和热滞回线。此外,给出了VO2多晶材料在半导体区和金属区的简化随机阻抗网络模型的电阻公式。

　　0　引言

　　VO2材料自上世纪50年代发现以来,在红外探测、红外调制、光电开关、光电存储和热变色等方面,得到了广泛的应用[1-3]。上世纪有关VO2材料的研究,主要集中在微米粒度多晶薄膜上,其平均颗粒直径为1~2μm,相变温度为68℃,热滞回线宽度约10℃,相变前后电阻值突变2~3个数量级,TCR为-2%/℃[1-3],在电阻-温度(R-T)曲线,特别是热滞回线的理论研究上进展不大,只是借用铁电体的电滞回线来类比VO2多晶材料的热滞回线[4],但电滞回线是对称分布的,相对比较简单,而热滞回线是非对称分布的[5],形状复杂。此外,两者描述的物理量也不相同,电滞回线是描述铁电材料的剩余极化强度与电场强度的函数关系,而热滞回线是材料的电阻与温度的函数关系。近年来,纳米多晶薄膜材料的研究结果已有报道[6-10]。其相变温度随平均颗粒直径而变化,平均颗粒直径约8 nm时,其相变温度为35℃[6-8],而平均颗粒直径约为12 nm时,相变温度约45℃[9-10],相变前后电阻变化2~3个数量级。最近,在VO2的理论研究上提出了随机阻抗网络模型(RandomResistor Network,RRN),用来模拟热滞回线行为[9-10],使得VO2多晶材料的研究由微米结构进入纳米结构;其R-T曲线的研究,特别是热滞回线的研究由实验探索进入理论研究的新阶段。可以预期,这将有力地推动化合物光电半导体VO2多晶材料的研究进程和应用。

　　微米VO2多晶材料在相变温度68℃下和纳米VO2多晶材料在相变温度45℃下,热滞回线用随机阻抗网络模型模拟的情况已有报道[9-10]。本文介绍了纳米VO2多晶材料在更低相变温度下(35℃),其R-T实验曲线(特别是热滞回线)与随机阻抗网络模型模拟的R-T曲线的对比情况。结果再次显示,两者符合得很好。此外,本文还给出了纳米VO2多晶薄膜材料在半导体区和金属区经由RRN模型引出的电阻公式。

　　1　实验R-T曲线

　　纳米VO2多晶薄膜材料的制备方法简述如下:采用在氧和氩气氛中低温离子溅射钒,生成氧化钒,经退火处理得到纳米VO2多晶薄膜,背散射实验分析表明,材料组成为VO2多晶。其R-T曲线和热滞回线的测量,采用带有温度控制的四探针测量方法。纳米VO2的制备和测量方法,已有详细的报道[6-8]。图1示出了纳米VO2(M)稳态多晶材料的晶粒结构,属单斜晶系块状晶粒。其实验R-T曲线如图2中的黑点和圆圈组成的曲线,黑点为温度上升曲线,圆圈为温度下降曲线,在热滞回线区两者不重合。

　　2　随机阻抗网络模型模拟

　　RRN的含意是[9-10]:VO2多晶材料的R-T曲线等效为一个多维随机阻抗网络,在热滞回线区,VO2多晶材料由半导体相和金属相混合组成,半导体相所占体积百分数用f表示,1-f为金属相所占体积百分数。在热滞回线区某一温度下的随机阻抗为半导体相和金属相随机阻抗之和。我们进一步推论:在低温半导体区和高温金属区分别用单一的半导体或金属相阻抗来描述。其数学表达式如下:半导体区:

式(1)和(2)分别为RRN在半导体区和金属区的电阻公式,式(3)-(5)是RRN在热滞回线区的表示式。式中,E0为激活能,k为玻耳兹曼常数,R0是VO2为单一半导体相时的临界电阻,即图2中T1时的电阻,超过该点对应的温度,单一半导体相消失;R0m是VO2出现单一金属相的临界电阻,即低于该点所对应的温度T2时,单一金属相消失;α为金属区VO2的电阻温度系数;f为热滞回线区半导体相体积百分数(为T的函数),1-f为金属相体积百分数;R(T)为热滞回线区VO2的总电阻,Rs,c为热滞回线区半导体相的电阻,Rm,c为热滞回线区金属相的电阻。将纳米VO2在35℃出现相变的多晶薄膜材料数据,采用随机阻抗网络模型方法处理,得到f(T)和R(T),最后得到图2实线所示的结果。关于数据处理过程,以前的文献有过详细的阐述[9-10],此处不再重复。

　　对比图2中R-T实验测试曲线(由黑点和圆圈组成)和RRN模拟曲线(实线),两者符合得很好,证明RRN模型在VO2相变温度下降至35℃时仍然有效。而且它比磁滞回线模型更实际地反映了VO2的R-T曲线和热滞回线的非对称特征。例如a区和b区的R-T曲线是非对称的,前者描述VO2半导体相的电阻-温度变化,后者描述其金属相的R-T变化;而在热滞回线中,T1至T2温度上升段(图2中黑点)斜率较大,而由T2至T1的温度下降段(图2中圆圈)曲线斜率较小,两者亦不对称。

　　3　结论

　　自从低温相变纳米VO2多晶材料报道以来[6-8],对它的研究逐渐多起来了。从应用角度分析,VO2材料的理想相变温度为30℃[4-5],目前的研究结果已经逐渐逼近这一理想值。VO2多晶材料的R-T曲线和热滞回线的研究正在摆脱磁滞回线的约束,已报道的随机阻抗网络模型[9-10],证明了在微米VO2多晶材料(相变温度为68℃下)以及纳米VO2多晶材料(相变温度为45℃)分别与实验测量值符合。本文以具有相变温度为35℃的纳米VO2多晶材料为研究对象,证明RRN模拟结果与实验R-T曲线测量值符合,再一次从不同相变温度下验证了RRN模型的适用性。此外,本文还根据RRN模型推导出VO2在半导体区和金属区的电阻计算公式。VO2多晶材料的研究,如能从实验方法上使相变温度达到30℃,而从理论方法上能正确模拟R-T曲线,特别是热滞回线的行为,将大大推进化合物光电半导体材料VO2的研究和应用。

　　参考文献:

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　　[3]　Jerominek H, Picard F. Vanadium oxide films foroptical switching and detection [ J ]. OpticalEngineering,1993,32:2092-2099.

　　[4]　de Almeida L A I,Deep G S, Freire R C S, et al. Ahysteresis model for a vanadium dioxide transition-edgemicrobolometer[J].IEEE Trans. on Instrumentationand Measurement,2001,50(4): 1030-1035.

　　[5]　Alberbo L, de Almeida L A I. Modeling of thehysteretic metal-insulator transiton in a vanadiumdioxide infrared detector [ J]. Optical Engineering,2002,41(10):2582-258.

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　　[8]　Chen S H, Ma H, Dai J, et al. Nanostructuredvanadium dioxide thin films with low phase transitiontemperature[J].Appl. Phys. Lett.,2007,90:101117.

　　[9]　Dai J, Wang X Z, Huang Y, et al. Modeling oftemperature dependent resistance in micro-andnanopolycrystalline VO2thin films with randomresistor networks[J]. Optical Engineering, 2008, 47(3):1033801.

　　[10]　戴　君,王兴冶,何少伟,等.用随机阻抗网络模拟纳米热致变色VO2薄膜的电阻温度特性[J].红外与毫米波学报,2008,27(5):374-377.

　　作者简介:熊笔锋(1978-),男,2003年毕业于华中科技大学并获硕士学位,主要从事光电材料和器件的研究。