Fabrication and characterization of VO2 thin films using pulsed DC magnetron sputtering

Abstract

Vanadium dioxide (VO2) is one of the many oxide phases of vanadium, which exhibits a semiconducting monoclinic stable phase up to 68°C. At temperatures over ~68°C the stable phase for VO2 is tetragonal and exhibits metallic conduction. Accompanying the abrupt and reversible phase change, the electrical resistivity and infrared transmittance changes substantially. Physical vapor deposition of VO2 thin films is often performed successfully by Pulsed Laser Deposition (PLD), but this technique is not easily scaled up for large substrate areas. Sputtering can offer an alternate route which is easily scalable up to arbitrary size, but presents a challenge due to the technical difficulties that arise when depositing dielectric materials and, in the particular case of VO2 requires very good control of film oxidation. Pulsed-DC reactive sputtering can solve the question of efficiently depositing uniform films of poorly conducting materials, but so far conditions have not been achieved to produce VO2 films with electrical and optical response comparable to those obtained from PLD. The present work further investigated adequate parameters for VO2 deposition via Pulsed-DC reactive sputtering. We were able to successfully deposit monoclinic VO2 on glass at relatively low temperatures of ~400°C with a partial oxygen pressure of 0.5mTorr, but initial results were not easily reproducible, apparently because of the need to control the oxygen pressure very accurately. The results were improved by implementing post-deposition annealing methods. For measuring the electrical and optical changes of the films as a function of temperature, a software application was developed using the LabVIEW platform. The software allowed for automatic data acquisition while the system took repeatable and accurate measurements. Electrical resistance characterization showed changes as high as three orders of magnitude with sharp hysteresis ~11°C wide. The optical transmittance in the infrared range also exhibited abrupt reductions of 36% during phase transition with similar hysteresis. Structural characterization by x-ray diffraction (XRD) showed that both, annealed and non-annealed samples exhibited the presence of monoclinic VO2 with a high preference for alignment along the (100) plane. Estimates for grain size were also obtained from XRD and showed a slight reduction in grain size perpendicular to the (100) plane as the annealing time was increased. Further analysis was done on the samples with Atomic Force Microscopy techniques which revealed lateral grain sizes of 110 nm for samples annealed during 20 minutes and an increase to 300 nm for samples annealed for 45 minutes.

El dióxido de vanadio (VO2) es una de las varias fases de oxidación del vanadio, el cual exhibe una fase monoclínica semiconductora estable hasta 68°C. A temperaturas sobre ~68°C la fase estable para VO2 es tetragonal y exhibe conducción metálica. Acompañando al cambio de fase abrupto y reversible, la resistividad y la transmitancia en el infrarojo cambian substancialmente. La deposición de películas delgadas de VO2 por vapores generados físicamente se logra comúnmente de manera exitosa por Deposición por Láser Pulsado (PLD), pero esta técnica no se extiende fácilmente para sustratos con áreas grandes. El “sputtering” ofrece una alternativa viable que se puede aplicar a substratos de escala arbitraria, pero representa retos debido a dificultades técnicas que surgen cuando se depositan materiales dieléctricos y, en el caso particular del VO2, requiere muy buen control de la oxidación de la película. El “sputtering” reactivo con alimentación DC-pulsada puede resolver el problema de la deposición uniforme de películas de materiales con baja conducción, pero hasta ahora no se han encontrado condiciones que logren producir películas de VO2 con características eléctricas y ópticas que sean comparables con las obtenidas por DLP. El presente trabajo adelanta la investigación acerca de los parámetros adecuados para la deposición de VO2 mediante sputtering reactivo con DC-Pulsado. Logramos de manera exitosa la deposición de VO2 monoclínico sobre vidrio a temperaturas relativamente bajas de ~400°C usando una presión parcial de oxígeno de 0.5 mTorr, pero los resultados iniciales no fueron fácilmente reproducibles, aparentemente por la necesidad de controlar de manera muy precisa la presión de oxígeno. Los resultados fueron mejorados mediante la implementación de métodos de recocido post-deposición. Para la medición de los cambios eléctricos y ópticos de las películas como función de la temperatura, se desarrolló un programado usando la plataforma LabVIEW. El programado permitió la adquisición automática de datos mientras el sistema tomaba medidas repetibles y precisas. La caracterización eléctrica mostró cambios tan grandes como 3 órdenes de magnitud con histéresis agudas y anchos de 11°C. La transmitancia óptica en el rango infrarrojo también exhibió reducciones abruptas de 36% durante la transición con histéresis similares. La caracterización hecha por difracción de rayos x (DRX) demostró que ambas películas, las recocidas y las no recocidas, mostraron la presencia de VO2 monoclínico con una marcada preferencia a la alineación en el plano (100). Estimados sobre el tamaño del grano se obtuvieron de los resultados de DRX y mostraron una ligera reducción en el tamaño de grano cristalino en la dirección perpendicular al plano (100) según se aumentó el tiempo de recocido. Además, las muestras se estudiaron mediante técnicas de microscopía de fuerza atómica (MFA) las cuales revelaron tamaños laterales para los granos de 110 nm para las muestras recocidas por 20 minutos y un incremento hasta 300 nm para las muestras recocidas por 45 minutos.