Свойства пленок VO$_2$, полученных методом ИЛО в бескапельном режиме

Задача: Тонкие пленки некоторых материалов, диэлектрические свойства которых могут изменяться при оптическом, электрическом или термическом воздействии, могут использоваться для управления технологически важными терагерцовым и микроволновым диапазонами электромагнитных волн [1]. Одним из таких материалов является VO$_2$, в котором переход металл-полупроводник, сопровождающийся значительным изменением оптических и электрических свойств, происходит при близкой к комнатной температуре 68$^\circ$С [2]. Тонкие пленки VO$_2$ выдерживают значительно большее число циклов переключений, чем монокристаллические образцы [3]. Целью настоящей работы было получение методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в бескапельном режиме на монокристаллических подложках сапфира и кремния пленок VO$_2$ с электрическими и оптическими свойствами, пригодными для генерации терагерцового излучения. Методология: Метод ИЛО обладает определенными преимуществами по сравнению с другими методами получения тонких многокомпонентных оксидных пленок. Состав пленок, выращенных методом ИЛО, благодаря неравновесным условиям осаждения, полностью воспроизводит состав компонентов мишени. Пленки, полученные методом ИЛО, кристаллизуются при более низких температурах подложки по сравнению с другими физическими методами парового осаждения благодаря высоким кинетическим энергиям (>1 эВ) ионизированных инжектированных частиц в создаваемой лазерной плазме. Возможность управления энергетическим спектром факела позволила исследовать особенности роста и управления свойствами выращиваемых пленок. Кроме того, метод ИЛО может работать при довольно высоком давлении буферного газа в напылительной камере, поэтому он эффективно используется при напылении тонких пленок оксидов. Результаты: Получены тонкие пленки VO$_2$ методом ИЛО в бескапельном режиме при различных условиях осаждения. Исследовано влияние плотности энергии на мишени и давления кислорода в камере на оптические и электрические свойства пленок. Изучены характерные особенности изменения электрических и оптических свойств пленок в окрестности фазового перехода в температурном интервале от 20$^\circ$С до 100$^\circ$С. Из измерений электрических свойств пленок установлено, что значения температуры перехода (Tс) для пленок на подложках сапфира (0001) и кремния (111) равны соответственно 67.5$^\circ$С и 67$^\circ$С, а ширины гистерезиса оказались соответственно равны 3$^\circ$С и 2$^\circ$С. Из измерений оптических свойств пленок установлено, что коэффициент пропускания пленок на длинах волн от 200 нм до 800 нм демонстрирует скачок пропускания и гистерезис при нагреве и охлаждении. Обсуждение результатов: Установлено, что при нагревании и охлаждении образцов кристаллических пленок VO$_2$ наблюдался гистерезис электрического сопротивления. Пленки демонстрировали типичную полупроводниковую зависимость уменьшения электрического сопротивления с увеличением температуры до температуры перехода. С увеличением температуры выше температуры перехода электрическое сопротивление незначительно росло, демонстрируя металлическое поведение. Наличие гистерезиса вблизи температуры 67$^\circ$С указывало на доминирование в пленке фазы VO$_2$. Впервые установлено, что в зависимости от длины волны наблюдаются кривые гистерезиса оптического пропускания различного вида. Характер изменения пропускания пленок на разных длинах волн различался. Мы связали различное поведение кривых гистерезиса со сложным поведением поглощения в пленках при изменении температуры. Практическое значение: Термохромные свойства пленок VO$_2$ находят широкое применение от устройств микроэлектроники до интеллектуальных покрытий окон зданий [4]. Уникальные свойства VO$_2$ делают его пригодным в качестве переключателей и сенсоров в микроволновой и террагерцовой областях спектра [1]. Кроме того, гистерезис пропускания в пленках при изменении температуры, предполагает возможность использования пленок VO$_2$ в устройствах оптических переключателей в видимом и ближнем УФ диапазонах спектра.