Slayt 1 - Optik Malzemeler Araştırma Grubu

Transkript

OPTİK MALZEMELER ARAŞTIRMA GRUBU
YÜKSEK LİSANS SEMİNERİ
VANADYUM OKSİTLERİN YAPISAL, ELEKTRİKSEL
ve OPTİKSEL ÖZELLİKLERİ
Aslı AYKEN
Danışman: Prof.Dr. Ayhan ELMALI
Ocak 2012
Ankara
1/32
SUNUM PLANI
 Vanadyum Oksit İnce Filmlerin Temel Özellikleri,
 Vanadyum Oksitlerde Faz Geçişi,
 VOx İnce Filmlerin Üretiminde Kullanılan Teknikler,
 VOx İnce Filmler İçin Karakterizasyon Teknikleri,
 Sonuç.
2/32
Vanadyum Oksit İnce Filmlerin Temel
Özellikleri
• Belirli sıcaklıklarda yarıiletken fazdan metal faza geçiş (Semiconductor to
Metal Transition, SMT) veya metal fazdan yarıiletken faza geçiş (Metal-toInsulator Transition, MIT) özelliği göstermektedirler.
• Faz geçiş özelliği, ilk kez 1959 yılında F. Morin tarafından keşfedilmiştir 1.
• Vanadyum 3d geçiş metallerindendir. Elektronik dizilimi 3d3 4s2 dir 2.
• Kararlı değerlikli vanadyum ve onun oksitleri 2-5 arasında değerler
almaktadır 3.
[1] Morin, F.J., “Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel Temperature”, Phys. Rev. Lett.,
3, 34–36, 1959.
[2] Hébert, C., Willinger, M., Su, D.S., Pongratz, P., Schattschneider, P., Schlögl, R., “Oxygen K-edge in
vanadium oxides: simulations and experiments”, European Physical Journal B, 28, 407–414, 2002.
[3] Gan, F.Y., Laou, P., “Optical and electrical properties of sputtered vanadium oxide films”, J.Vac. Sci.
3/32
Özellikleri
• Kararlı oksitler: VO, V2O3, VO2, V2O5 dir.
Ayrıca literatürde, V3O5, V4O7, V5O9, V6O11, V7O13, V2O4 ve V6O13
mevcuttur 4.
• VOx bileşenleri iki gruba ayrılarak incelenebilir.
Bunlar; VnO2n-1 tipi (VO2-V2O3) ve VnO2n+1 tipi (VO3-V2O5) bileşiklerdir 5.
• Tek fazda bulunabildikleri gibi karışık fazda da bulunabilmektedir 6.
[4] Kachi, K.K.S., Takada, T., “Electrical Conductivity of Vanadium Oxides,” Journal of the Physical Society
of Japan, 18, 1839–1840, 1963.
[5] Dultsev, F.N., Vasilieva, L.L., Maroshina, S.M., Pokrovsky, L.D., “Structural and optical properties of
vanadium pentoxide sol-gel films”, Thin Solid Films, 510, 255-259, 2006.
[6] Chang, Y.J., Koo, C.H., Yang, J.S., Kim, Y.S., Kim, D.H., Lee, D.H., Lee, J.S., Noh, T.W., Kim, H.T.,Chae,
B.G.,”Phase coexistence in the metal-insulator transition of a VO2 thin film”, Thin Solid Films, 486, 46-49,
2005.
4/32
Özellikleri
(a)
(a) VO,
(b)
(b) VO2 ,
(c)
(c) V2O5 in kristal yapıları.
5/32
SUNUM PLANI
 Sonuç.
6/32
Vanadyum Oksitlerde Faz Geçişi
1. Faz geçişi sırasındaki yapısal değişimleri,
2. Faz geçişi sırasındaki elektriksel özelliklerin değişimi,
3. Faz geçişi sırasındaki optik özelliklerin değişimi.
7/32
1. Faz geçişi sırasındaki yapısal değişimleri
• Faz geçişi sırasında, VOx filmlerin bant yapısı değişim
göstermektedir.
• VO2 nin faz geçiş sıcaklığı 68 C dir8.
• V2O5 in faz geçiş sıcaklığı 257 C dir8.
• Yapısal özellikler;
• Alttaş sıcaklığı7,
• Kısmi oksijen basıncı3,
• Tavlama işlemi9,
• Isıtma-soğutma işlemi8 ile değişim göstermektedir.
Technol.A, 22(3), 2004.
[7] Meng, L., Silva, R.A., Cui, H., Teixeria, V., Santos, M., Xu, Z., “Optical and structural properties of
vanadium pentoxide films prepared by d.c. reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films, 515, 2006.
[8] Wu, X., Lai, L., Lin, L., Li, Y., Lin, L., Qu, Y., Huang, Z., “Influence of thermal cycling on structural,
optical and electrical properties of vanadium oxide thin films”, Applied Surface Science, 55, 2840-2844, 2008.
[9] Luo, Z., Wu, Z., Xu, X., Wang, T., Jiang., Y., “Electrical and optical properties of nanostructured VOX thin
films prepared by direct current magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin Solid Films,
8/32
• Alttaş sıcaklığının V2O5 ince filmlerin
Şiddet (a.u)
yapısında gösterdiği etki 7.
• Depolama: d.c. magnetron sıçratma
• Karakterizasyon: XRD
Kırılma açısı (2θ)
9/32
Şiddet (a.u)
• İnce filmlerin elde edilmesi sırasında
kısmi oksijen basıncının VO2 filmin
kristal yapısında gösterdiği etki 3.
• Depolama: reaktif magnetron sıçratma
10/32
[3] Gan, F.Y., Laou, P., “Optical and electrical properties of sputtered vanadium oxide films”, J.Vac.Sci.
Technol.A,22(3), 2004.
• Isısal döngünün V2O5 ince filmlerin
Şiddet (a.u)
filmlerin yapısal özelliklerinde etkisi 8.
• Depolama: ısısal buhar biriktirme
11/32
• Oksidasyon tavlamasının nano yapılı
Şiddet (a.u)
VO2 filmlerin hazırlanışında etkisi 9.
10dk tavlanmış
tavlanmamış
12/32
[9] Luo, Z., Wu, Z., Xu, X., Wang, T., Jiang., Y., “Electrical and optical properties of nanostructured VOX
thin films prepared by direct current magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin
Solid Films, 519, 2011.
2. Faz geçişi sırasındaki elektriksel özelliklerin değişimi
•
•
•
•
Elektriksel Direncin Sıcaklık Sabiti (Temperature Coefficient of
Resistance, TCR) kullanılmaktadır 10.
MIT sırasında özdirenç değişimi:
metallerde
: 10-8-10-2 Ω.cm
yarıiletkenlerde: 10-2-109 Ω.cm
yalıtkanlarda : 109-1020 Ω.cm dir.
Yüksek yüzey direnci (Resistance of Square, ROS)
ideal ROS değeri ~20 kΩ/□ , TCR değeri %2 altında olmalıdır 10.
Aktivasyon enerjisi (ΔE) 9 diğer önemli parametredir.
519, 2011.
[10] Çapar O., Nanoölçekli vanadyum oksit ince filmlerin yapısal ve elektriksel karakterizasyonu, Yüksek
Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı, 2010.
13/32
Özdirenç (ohm-cm)
• VO2 ince filmin özdirencinin sıcaklığa
bağlı değişimine MIT neden olmaktadır 3.
• Karakterizasyon: dört nokta iğne tekniği
Sıcaklık ( C)
14/32
Technol.A, 22(3), 2004.
Direnç (ohm)
ısıtma
soğutma
• V2O5 ince filmlerin direnç-sıcaklık
ilişkisinde histeris, yapısal ve elektriksel
özellikler arasındaki bağlantıyı içerir 8.
• Karakterizasyon: iki nokta iğne tekniği
Sıcaklık ( C)
15/32
ROS (kΩ/⁯)
• Farklı tavlama süresinin ince filmlerin
ROS değerine etkisi 9.
• Karakterizasyon: dört nokta iğne tekniği
tavlanmamış
10dk tavlanmış
25dk tavlanmış
Sıcaklık ( C)
519, 2011.
16/32
Normalize özdirenç ρi/ρ0
• Faz geçişinin keskinliği ve histeris
eğrilerinin genişliğinin önemi 11.
• Depolama: elektron demeti sıçratma
• Karakterizasyon: dört nokta iğne
tekniği
Sıcaklık ( C)
17/32
[11] Leroy, J., Bessaudo, A., Cosset, F., Crunteanu, A., “Structural, electrical and optical properties of
thermochromic VO2 thin films obtained by reactive electron beam evaporation”, Thin Solid Films,
doi:10.1016/j.tsf.2011.08.035, 2011.
3. Faz geçişi sırasındaki optik özelliklerin değişimi
Geçirgenlik (%)
• VO2 ince filminin yarıiletken fazda ve
metalik fazda optiksel geçirgenliği 3.
• Depolama:reaktif magnetron sıçratma
• Karakterizasyon: IR lazer spektroskopisi
Dalgaboyu (nm)
18/32
Technol.A, 22(3), 2004.
Geçirgenlik (%)
• Alttaş sıcaklığının V2O5 filminin
optiksel geçirgenliğine etkisi 7.
• Karakterizasyon: UV-vis spektrometre
Dalgaboyu (nm)
19/32
1000 nm de Geçirgenlik (%)
• Isısal döngü ile optiksel geçirgenlik
arasındaki ilişki 11.
• Depolama: elektron sıçratma tekniği
• Karakterizasyon: UV-vis-NIR
spektrometresi
Sıcaklık ( C)
20/32
doi:10.1016/j.tsf.2011.08.035, 2011.
tavlanmamış
Geçirgenlik (%)
10dk tavlanmış
25dk tavlanmış
• Soğurma bandının optiksel geçirgenliğinin
tavlamaya bağlı değişimi 9.
• Karakterizasyon: UV-vis spektrometre
Dalgaboyu (nm)
films prepared by direct current magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin Solid
Films, 519, 2011.
21/32
Geçirgenlik (%)
• Termokromik VO2 ince filmlerin
optiksel geçirgenliği 11 .
• Depolama: elektron demeti sıçratma
• Karakterizasyon: UV-vis-NIR
spektrometresi
Dalgaboyu (nm)
22/32
doi:10.1016/j.tsf.2011.08.035, 2011.
Alttaş
Geçirgenlik
• V2O5 ince filmine ısısal döngü işlemi
Isısal döngü
öncesi
Isısal döngü
sonrası
uygulanmasıyla optiksel geçirgenliğindeki
değişimler 8.
• Karakterizasyon: spektrometre
Dalgaboyu (nm)
23/32
SUNUM PLANI
 Sonuç.
24/32
VOx İnce Filmlerin Üretiminde
Kullanılan Teknikler
• Reaktif sıçratma (reactive sputtering)3,7,9,12,
• Darbeli lazer biriktirme (pulsed laser deposition)6,
• İyon Demeti ile Sıçratma (ion beam deposition)11,
• Isısal buhar biriktirme (thermal evoporation)14,
• Kimyasal buhar biriktirme (chemical vapor deposition)15,
• Sol-gel13 işlemi gibi.
[3] Gan, F.Y., Laou, P., “Optical and electrical properties of sputtered vanadium oxide films”, J.Vac. Sci. Technol.A, 22(3), 2004.
[6]Koo, C.H., Yang, J.S., Kim, Y.S., Kim, D.H., Lee, D.H., Lee, J.S., Noh, T.W., Kim, H.T.,Chae, B.G.,”Phase coexistence in the
metal-insulator transition of a VO2 thin film”, Thin Solid Films, 486, 46-49, 2005.
[7] Meng, L., Silva, R.A., Cui, H., Teixeria, V., Santos, M., Xu, Z., “Optical and structural properties of vanadium pentoxide films
prepared by d.c. reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films, 515, 2006.
[9] Luo, Z., Wu, Z., Xu, X., Wang, T., Jiang., Y., “Electrical and optical properties of nanostructured VO X thin films prepared by
direct current magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin Solid Films, 519, 2011.
[11] Leroy, J., Bessaudo, A., Cosset, F., Crunteanu, A., “Structural, electrical and optical properties of thermochromic VO 2 thin films
obtained by reactive electron beam evaporation”, Thin Solid Films, doi:10.1016/j.tsf.2011.08.035, 2011.
[12] Bolanos, G., Quinayas,C., Coy, H., Cordoba,M.F., Coronel, J., Lopera,W., “Electrical and optical properties of VO 2 thin films”,
[13] Türhan, İ., Tepehan, G., Tantalum oksit katkılı vanadyum oksit ince filmlerin özellikleri, İTÜ dergisi 2009.
[14] Golan, G., Axelevitch, A., Sigalov, B., Gorenstein, B., “Investigation of phase transition mechanism ın vanadium oxide thin
films, Journal of Optoelectronics and Advenced Materials”, Vol 6, No.1, 2004.
[15]Deutschmann, L., Messelhauser, J., Suhr, H., Herrmann, W., Harter, P., “Plasma enhanced chemical vapor deposıtıon of
vanadium carbide Vc1-X and VOx from vanadocene Cp2v”, Adv. Mat., 6, 392–395, 1994.
25/32
SUNUM PLANI
 VOx İnce Filmleri İçin Karakterizasyon Teknikleri,
 Sonuç.
26/32
Vanadyum Oksit İnce Filmler İçin
Karakterizasyon Teknikleri
1. VOx Kristal Yapısının Karakterizasyonu
XRD, Nötron Kırınımı, Elektron Kırınımı
2. VOx Elektriksel Özelliklerinin Karakterizasyonu
Dört nokta iğne tekniği
3. VOx Optiksel Özelliklerinin Karakterizasyonu
Kırmızıaltı Lazer Spektroskopisi (Infrared Laser
Spectroscopy), UV-vis- NIR Spektroskopi
27/32
SUNU PLANI
 Vanadyum Oksit İnce Filmler İçin Karakterizasyon
Teknikleri,
 Sonuç.
28/32
SONUÇ
• Her biri özgün MIT sıcaklığına ve histeris döngü kalınlığına
sahiptir.
• MIT sıcaklığı, histeris kalınlığı, özdirençteki değişim ve faz
geçişinin keskinliği filmlerin kalitesini belirler.
• Amorf olan filmler; alttaş sıcaklığı arttırıldığında, ısıl döngü
işleminden geçirildiğinde, kısmi oksijen basıncı düşük tutulduğunda
ya da tavlama işleminden geçirildiğinde kristal yapıya geçmektedir.
• TCR, ROS ve ΔE elektriksel özelliklerin değişimini belirler.
• Faz geçişi ile optiksel özelliklerin değişimine bakıldığında optik
geçirgenliğin kırmızıaltı bölgede yaygın olduğu görülmektedir.
29/32
SONUÇ
Vanadyum oksit filmler;
• Elektrokromik cihazlarda16,
• Termokromik cihazlarda13,
• Soğutmasız bolometrik dedektörlerde17,
• Lazer korunumunda18,
• Güneş pillerinin pencerelerinde7,
• Yüksek kapasiteli lityum pillerinin elektrotlarında10,
• Elektrik ve optik anahtarlama cihazlarında9,
• Işık modülatörlerinde9 kullanılmaktadır.
[7] Meng, L., Silva, R.A., Cui, H., Teixeria, V., Santos, M., Xu, Z., “Optical and structural properties of vanadium pentoxide films
prepared by d.c. reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films, 515, 2006.
[9] Luo, Z., Wu, Z., Xu, X., Wang, T., Jiang., Y., “Electrical and optical properties of nanostructured VOX thin films prepared by
direct current magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin Solid Films, 519, 2011.
[10] Çapar O., Nanoölçekli vanadyum oksit ince filmlerin yapısal ve elektriksel karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu
Üniversitesi, İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı, 2010.
[16] Benmoussa, M., Outzourhit, A., Bennouna, A., Ameziane, E.L., “ Electrochromism in sputtered V 2O5 thin films: structural and
optical studies”, 405, 11-16, 2002.
[17] Wang, H., Yi, X., Chen, S., “Low temperature fabrication of vanadium oxide films for uncooled bolometric dedectors”, Infrared
physics and technology, 47, 273-277, 2006.
[18] Mwakikunga, B.W., Haddad, E.S., Maaza, M., Opt. Matter, 29, 481, 2007.
30/32
REFERANSLAR
[1] Morin, F.J., “Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel Temperature”, Phys. Rev. Lett., 3, 34–36, 1959.
[2] Hébert, C., Willinger, M., Su, D.S., Pongratz, P., Schattschneider, P., Schlögl, R., “Oxygen K-edge in vanadium oxides: simulations and experiments”,
European Physical Journal B, 28, 407–414, 2002.
[3] Gan, F.Y., Laou, P., “Optical and electrical properties of sputtered vanadium oxide films”, J.Vac. Sci. Technol.A, 22(3), 2004.
[4] Kachi, K.K.S., Takada, T., “Electrical Conductivity of Vanadium Oxides,” Journal of the Physical Society of Japan, 18, 1839–1840, 1963.
[5] Dultsev, F.N., Vasilieva, L.L., Maroshina, S.M., Pokrovsky, L.D., “Structural and optical properties of vanadium pentoxide sol-gel films”, Thin Solid
Films, 510, 255-259, 2006.
[6] Chang, Y.J., Koo, C.H., Yang, J.S., Kim, Y.S., Kim, D.H., Lee, D.H., Lee, J.S., Noh, T.W., Kim, H.T.,Chae, B.G.,”Phase coexistence in the metalinsulator transition of a VO2 thin film”, Thin Solid Films, 486, 46-49, 2005.
[7] Meng, L., Silva, R.A., Cui, H., Teixeria, V., Santos, M., Xu, Z., “Optical and structural properties of vanadium pentoxide films prepared by d.c.
reactive magnetron sputtering”, Thin Solid Films, 515, 2006.
[8] Wu, X., Lai, L., Lin, L., Li, Y., Lin, L., Qu, Y., Huang, Z., “Influence of thermal cycling on structural, optical and electrical properties of vanadium
oxide thin films”, Applied Surface Science, 55, 2840-2844, 2008.
[9] Luo, Z., Wu, Z., Xu, X., Wang, T., Jiang., Y., “Electrical and optical properties of nanostructured VO X thin films prepared by direct current
magnetron reactive sputtering and post-annealing in oxygen”, Thin Solid Films, 519, 2011.
[10] Çapar O., Nanoölçekli vanadyum oksit ince filmlerin yapısal ve elektriksel karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, İleri
Teknolojiler Ana Bilim Dalı, 2010.
[11] Leroy, J., Bessaudo, A., Cosset, F., Crunteanu, A., “Structural, electrical and optical properties of thermochromic VO 2 thin films obtained by reactive
electron beam evaporation”, Thin Solid Films, doi:10.1016/j.tsf.2011.08.035, 2011.
[12] Bolanos, G., Quinayas,C., Coy, H., Cordoba,M.F., Coronel, J., Lopera,W., “Electrical and optical properties of VO 2 thin films”, 2007.
[14] Golan, G., Axelevitch, A., Sigalov, B., Gorenstein, B., “Investigation of phase transition mechanism ın vanadium oxide thin films, Journal of
Optoelectronics and Advenced Materials”, Vol 6, No.1, 2004.
[15] Deutschmann, L., Messelhauser, J., Suhr, H., Herrmann, W., Harter, P., “Plasma enhanced chemical vapor deposıtıon of vanadium carbide Vc1-X
and VOx from vanadocene Cp2v”, Adv. Mat., 6, 392–395, 1994.
[16] Benmoussa, M., Outzourhit, A., Bennouna, A., Ameziane, E.L., “ Electrochromism in sputtered V 2O5 thin films: structural and optical studies”, 405,
11-16, 2002.
[17] Wang, H., Yi, X., Chen, S., “Low temperature fabrication of vanadium oxide films for uncooled bolometric dedectors”, Infrared physics and
technology, 47, 273-277, 2006.
[18] Mwakikunga, B.W., Haddad, E.S., Maaza, M., Opt. Matter, 29, 481, 2007.
31/32
Teşekkürler.
32/32

Slayt 1 - Optik Malzemeler Araştırma Grubu

Transkript

Benzer belgeler