非晶-纳米晶β-V2O5薄膜的可逆热刺激相变及其在温敏电子器件中的应用研究

本研究发现通过射频磁控溅射（RF sputtering）结合倾斜靶位技术制备的β-V2O5薄膜在热刺激下呈现显著的可逆相变行为（βм?βт），其载流子浓度与带隙能量的可控变化为开发高灵敏度温度传感器提供了新策略。

　　

Section snippets

Sputtering system

采用定制设计的射频共溅射磁控系统沉积V₂O₅薄膜。该系统配备双倾斜磁控头（向内倾斜17°），但仅启用一个靶位。溅射靶材为钒金属（纯度99.95%），在氩氧混合气氛中通过反应溅射形成薄膜。基底为未经加热的玻璃，靶基距固定为10 cm，溅射功率设定为200 W，工作压力维持在5.0×10^?3 mbar。通过质量流量计精确控制氧气比例（7.5%和10%），沉积速率稳定在0.3 nm/min。

Structural and phase formations

图2(a)展示了三组薄膜热刺激前的XRD图谱：7.5%氧气条件下沉积的未退火薄膜、7.5%氧气退火薄膜及10%氧气退火薄膜。未退火薄膜呈现20°–30°的宽缓馒头峰（源自玻璃基底），表明高度非晶特性，但存在微量β_м相嵌入结构。经300°C退火后，两种退火薄膜均形成纳米晶β_м-V₂O₅相，晶粒尺寸随氧气比例升高而减小（7.5% O₂时为12.6 nm，10% O₂时降至9.5 nm）。热刺激后所有样品均出现β_м与β_т相的混合对称性，且表面形貌发生显著重构（10% O₂样品除外）。

Conclusion

本研究通过原位XRD分析证实了非晶-纳米晶β-V₂O₅薄膜在热刺激下具有可逆的β_м?β_т相变能力。热能促进了氧空位形成但抑制了钒空位，导致载流子浓度与导电类型变化（n型与p型转换）。这种动态相变行为与结构重排特性，使其在可重复工作的光学温度传感器与电阻式热敏器件中具备应用潜力。