氧化钒(VOx)薄膜在室温附近具有良好的热致半导体-金属相变性能,在光电开关、存储、太赫兹调制、智能窗等领域有广泛的应用。然而,不同的应用要求VOx薄膜的相变性能不同,尤其是回线宽度。例如,当应用于开关类器件时,VOx薄膜的回线宽度要小;而当应用于存储类器件时,VOx薄膜的回线宽度要大。VOx薄膜的相变性能与采用的工艺条件及薄膜的微观结构有关。因此,VOx薄膜的制备及微观结构与相变性能的研究已成为当前该领域的研究热点。本论文利用磁控溅射技术在低温(≤350℃)条件下制备了相变型纳米VOx薄膜,借助多种分析手段系统研究了工艺条件、衬底类型及掺杂对VOx薄膜成分、结构、形貌及相变性能的影响,找到了能有效调控VOx薄膜结构、形貌及相变性能的方法。此外,本文还利用两种加热方法(板加热和焦耳热加热)使透明导电玻璃衬底上制备的VOx薄膜发生了热致相变,实验现象表明加热方式也会影响VOx薄膜的相变性能。本论文所研究的主要内容及创新点包括以下四个部分:1.找到了能有效调制溅射法制备纳米VOx薄膜形貌及回线宽度的方法。通过系统研究工艺条件对反应磁控溅射法制备VOx薄膜组分、结构、形貌及相变性能的影响,得出以下研究结论:(1)工艺条件(反应氧流量、衬底温度和退火温度)对VOx薄膜的形貌(颗粒形状、颗粒尺寸和晶界)和相变性能(相变温度、相变幅度和回线宽度)有很大影响;(2)反应氧流量、衬底温度和退火温度三个工艺条件主要是通过调制VOx薄膜的形貌来调制回线宽度的。换言之,VOx薄膜的回线宽度主要由薄膜的形貌决定:颗粒形状对称性越高、颗粒尺寸越小,晶界越明显,VOx薄膜的回线宽度越大;反之,VOx薄膜的回线宽度越小。此外,还制备了Zr掺杂VOx(VOx:Zr)薄膜,结果表明在薄膜生长过程中引入Zr杂质作为形核中心也能有效控制VOx薄膜的形貌和回线宽度。然而,对于VOx:Zr,薄膜的回线宽度主要取决于杂质形核中心密度,而不再是薄膜的表面形貌。2.深入研究了颗粒尺寸对纳米VOx薄膜回线宽度的影响。经过优化工艺条件,通过改变薄膜的生长时间或原位后续退火时间制备出一系列具有相似形貌(均为类球形,但颗粒大小不同)的VOx薄膜,并对其相变性能进行了深入研究。该工作的突出贡献在于:(1)找到了能有效控制VOx薄膜颗粒大小但不改变其类球形形状的方法,这使得研究形貌与相变性能的关系时,能把颗粒尺寸的作用分离出来;(2)VOx薄膜的回线宽度与颗粒尺寸密切相关,即平均颗粒尺寸越大,其回线宽度越小;(3)更重要的是,当制备的VOx薄膜表面平整致密时,实验测得的回线宽度与平均颗粒尺寸成反比。为了解释这一实验现象,本论文根据前人的模型进行了相关理论计算,其结果与实验一致。在VOx薄膜中,这一关系还未曾被发现和报道。3.在太赫兹方面的研究。首先研究了薄膜厚度对高阻Si衬底上制备VOx薄膜组分、结构、形貌及太赫兹(THz)波段相变性能的影响,结果表明,在一定范围内增加薄膜厚度可有效增大其THz波调制幅度。其次,制备了Si掺杂VOx(VOx:Si),结果表明Si掺杂对VOx薄膜的择优结晶取向、表面形貌及THz波段相变性能有很大影响。有意义的是,适当的Si掺杂能大大减小薄膜的回线宽度而不降低薄膜的THz波调制幅度。这使得VOx:Si在THz开关及调制领域具有好的应用前景。4.透明导电玻璃衬底上纳米VOx薄膜的制备及相变性能研究。工作主要包括:(1)在铟锡氧化物(ITO)和掺铝氧化锌(AZO)两种透明导电玻璃衬底上制备了VOx薄膜,并利用两种方法(板加热和焦耳热加热)使VOx薄膜发生了热致相变。结果表明,对同一VOx薄膜,采用不同方式加热时,薄膜的相变性能不同,这为调制VOx薄膜相变性能提供了一种新方法;(2)在AZO导电玻璃上制备了VOx薄膜,研究了溅射时间、反应氧流量和退火氧流量对VOx薄膜透过率及相变性能的影响,并与玻璃衬底上制备VOx薄膜做对比研究。实验发现,AZO导电玻璃衬底上制备VOx薄膜的室温透过率(可见光及近红外)及调制幅度都比玻璃衬底上的大。这表明AZO玻璃衬底上制备的VOx薄膜比玻璃衬底上制备的VOx薄膜更适合用作智能窗口材料。