Fabricación y caracterización de películas de dióxido de vanadio (VO2) depositadas por sputtering con corriente continua pulsada

Abstract

Thin films of vanadium dioxide were grown on glass and sapphire substrates by the pulsed-dc sputtering technique. This compound is of great interest because it exhibits a semiconductor (monoclinic phase) to metal (tetragonal phase) transition at a temperature of ~ 68ºC, along with an abrupt change in its resistivity. Vanadium is a polyvalent metal, and therefore a variety of vanadium oxides exist, including mixed phases, which can be produced during film fabrication. In order to obtain the correct composition and crystal structure required the exploration of a range of conditions for deposition parameters, since there are no previous reports of VO2 growth by pulsed-dc sputtering. The crystal structure of the samples was analyzed by x-ray diffraction (XRD) and their electrical properties were characterized measuring resistance as a function of temperature. The monoclinic VO2 phase was obtained with a 90 sccm argon flux, total sputtering pressure of 6.03mTorr, oxygen partial pressure of ~ 0.33 mTorr, gun power of 300 W, 150 kHz frequency, inverse time of 2.5 μsec and substrate temperature of 550ºC. Films grown on sapphire exhibited better crystal quality and their resistance change during the transition was greater than three orders of magnitude, with a narrow (3º) hysteresis curve, while those grown on glass exhibited a resistance change of over two orders of magnitude and a broad (12º) hysteresis curve.

Se crecieron y estudiaron películas delgadas de dióxido de vanadio sobre substratos de vidrio y zafiro mediante la técnica de “sputtering” con corriente continua (cc) pulsado. Este compuesto es de gran interés debido a su transición de semiconductor (fase monoclínica) a metal (fase tetragonal) a una temperatura de ~ 68ºC acompañada de un cambio abrupto en su resistividad. El vanadio es un metal poli- valente, por lo que existe una variedad de óxidos de vanadio e incluso fases mixtas, que pueden producirse durante la fabricación de las películas. Obtener la composición y estructura cristalina correctas requirió explorar un rango de condiciones de los parámetros de deposición, pues no existe reporte previo de crecimiento de VO2 por “sputtering” cc pulsado. La estructura cristalina de las muestras fue analizada por difracción de rayos x (XRD) y sus propiedades eléctricas fueron caracterizadas midiéndose la resistencia en función de la temperatura. La fase monoclínica del VO2 se logró con flujo de argón de 90sccm, presión total para “sputtering” de 6.03 mTorr, presión parcial de oxígeno de ~0.33 mTorr, potencia del cañón de 300 W, frecuencia de 150 kHz, “tiempo inverso” de 2.5 μseg y temperatura del substrato de 550ºC. Las películas crecidas sobre zafiro exhibieron mejor cristalinidad y su cambio en la resistencia durante la transición superó los tres órdenes de magnitud, con curva de histéresis estrecha (3º), mientras que las crecidas sobre vidrio exhibieron un cambio en resistencia de más de dos órdenes de magnitud, con curva de histéresis ancha (12º).