英國南安普敦大學物理學院以及電子與計算機學院課題組使用原子層沉積技術合成出鎢摻雜的二氧化釩（W:VO2）。該材料具有常溫相變特性，并且該技術兼容于大尺寸（8寸）硅基襯底以及聚酰亞胺（PI)薄膜。基于所制作的常溫相變材料，加工出新一代超表面航天器‘智能’溫控涂層（OSR）。
近年來，二氧化釩（VO2）由于其獨特的絕緣/金屬的相變特性受到了廣泛關注。隨著溫度變化，二氧化釩可以實現絕緣態和金屬態之間的可逆轉變，這種轉變將導致其在電學和光學特性產生巨大改變。通過合理調控這兩種狀態，可以實現跟隨溫度變化而靈活響應的‘智能型’器件或者裝置。目前，該材料被認為在輻射制冷、智能窗戶、神經網絡計算、存儲，以及紅外隱身上有著廣闊的應用前景。
對于無摻雜二氧化釩，其相變溫度通常為68℃，而其較高的相變溫度限制了以常溫作為溫控閾值的各種節能相關的應用。近來各種研究表明，二氧化釩的相變溫度可以通過鎢等原子的進行摻雜調控，以實現常溫下的相變應用。然而，鎢摻雜二氧化釩（W:VO2）的生長仍然是具有挑戰的，尤其是在大面積范圍內實現鎢的精準摻雜。另外，通常生長的二氧化釩需要在氧氣中進行退火處理來調節含氧量以及結晶態，以獲得具有相變能力的二氧化釩。英國南安普敦大學物理與天文學院（Otto Muskens教授及孫凱博士）以及電子與計算機學院 (Kees de Groot教授)所領導的研究小組針對鎢摻雜二氧化釩的制備問題，提出了通過精細原子層沉積調控技術（ALD）生長出了能精確控制相變溫度的鎢摻雜二氧化釩，并且驗證了該技術對于柔性襯底（Polyimide）以及大尺寸襯底 （8英寸硅襯底）的工藝兼容性。該研究也展示了基于摻雜二氧化釩的超材料具有溫控可變紅外輻射能力的智能散熱涂層的航天應用。相關結果發表在Advanced Optical Material上。
近來，作為CMOS兼容的大尺寸的工業級生長技術， 原子層沉積技術成為了高性能的薄膜生長的一種首選的技術。目前所報道的二氧化釩的原子層沉積技術都是針對于無摻雜二氧化釩。受限于所使用制備原料（TEMAV），二氧化釩的生長溫度通常為150℃，而氧化鎢的生長溫度通常為250℃以上，二者生長溫度差異對ALD生長摻鎢二氧化釩的制備產生了巨大的技術挑戰。該研究組發現了基于200℃的溫度窗口實現鎢參雜二氧化釩的生長并獲得了低于3%的均勻度（200 mm 襯底）。對于其關鍵的退火條件，該研究組測試了多種溫度和氧壓強的組合，實現了375℃下二氧化釩制備使其完全兼容于航空級的柔性襯底Kapton。通過對鎢摻雜含量的精確控制，獲得了常溫相變的二氧化釩，并通過光刻和等離子刻蝕制備了二氧化釩的超表面結構以獲得更高對比度的高低溫紅外輻射。同時，對于所制備的不同鎢摻雜濃度的二氧化釩材料進行了細致的材料（XPS及拉曼）以及光學（紅外影像及FTIR）表征，給出了基于不同溫度的光學參數，這些參數將給進行基于二氧化釩的光學和智能器件的設計提供重要的研究基礎。該研究所提出的基于原子層沉積技術的室溫相變鎢摻雜二氧化釩成為可能，并實現了大面積的精準厚度和摻雜控制，該技術為相關的科學研究提供理想的材料以及大大提升基于該材料的商業化生產和產業化應用。
論文信息：
Room Temperature Phase Transition of W-Doped VO2 by Atomic Layer Deposition on 200 mm Si Wafers and Flexible Substrates
Kai Sun*, Callum Wheller, James A. Hillier, Sheng Ye, Ioannis Zeimpekis, Alessandro Urbani, Nikolaos Kalfagiannis, Otto L. Muskens*, Cornelis H. de Groot*
Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.202201326
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201326
（來源：AdvancedScienceNews）
