Fabrication of V₄O₇ thin films by DC sputtering and design of a piston clamped pressure cell

Abstract

Aunque se ha demostrado que el V4O7 tiene una temperatura de transición metal-aislante cercana a 250 K, las investigaciones existentes disponibles son limitadas cuando se compara con estados de oxidación más comunes, como, por ejemplo, VO2 and V2O3. La disponibilidad limitada de trabajo se reduce aún más para películas delgadas a pesar de que estas configuraciones serían más favorables para diferentes aplicaciones. Este trabajo presenta un método para la preparación de películas delgadas de V4O7 sobre sustratos de SiO2 utilizando la técnica de sputtering magnetrón DC. Las películas depositadas fueron caracterizadas mediante AFM, XRD y resistividad en función de temperatura obteniendo muestras de V4O7/SiO2 de buena calidad. El espesor de las películas y la rugosidad de la superficie variaba de 150 a 230 nm y de 26 a 43 nm respectivamente. Se identificó que el tamaño de grano variaba de 613 nm a 704 nm. Las gráficas de XRD mostraron picos característicos de V4O7. Se encontró que, a 275 K, la resistividad era menos de 0.015 Ω-cm. A 160 K, se halló que la resistividad era 2.12 Ω-cm. La temperatura de transición se identificó como 226 K. Hubo una histéresis resultante de menos de 2 K. Sin embargo, aún con condiciones nominales de deposición similares, la reproducción consistente de las características eléctricas entre muestras fue un reto. Esto debido a que variaciones pequeñas en la presión parcial de oxígeno durante el proceso de deposición pueden conducir a desviaciones en la estequiometría del material depositado. Aunque pequeñas, estas desviaciones causan variaciones en la resistividad. En un intento por corregir las diferencias obtenidas en las medidas eléctricas en función de la temperatura, se utilizó un tratamiento térmico posterior a la deposición. A pesar de caracterizar las películas posterior al tratamiento térmico y confirmar la presencia de V4O7, las propiedades eléctricas en función de la temperatura no fueron las características del material. Este trabajo se basó en las variaciones de las propiedades eléctricas con la temperatura con el fin de estudiar la transición metal-aislante en películas de V4O7/SiO2. Por otra parte, estudios previos demuestran la habilidad de inducir o suprimir la TMA (transición metal-aislante) por medio de la aplicación de presión hidrostática, que al ser combinados con los amplios rangos de oxidación de vanadio ofrecen numerosas oportunidades de investigación en el futuro. Aunque en el mercado existen celdas capaces de alcanzar altas presiones, estas suelen ser costosas y su uso es limitado debido a las altas presiones que provee. En apoyo a las investigaciones en esta área, esta tesis presenta el diseño de una celda de presión conocida como “piston-clamped cell”. El rango operacional anticipado de la celda es de 3 GPa. La presión es aplicada por medio de una prensa hidráulica, a través de un pistón en la cámara de la celda. La muestra se colocaría en una cápsula de Teflón y sería sumergida en un fluido que transmite la presión. Dentro de la cápsula se realizaría el cableado que permite la medición de cuatro puntos en función de la presión. En adición se utilizaron simulaciones en DAC (diseño asistido por computadoras) y AEF (análisis de elementos finitos) para crear modelos virtuales de la celda de presión y dibujos detallados inicialmente, el cual puede ser modificado para otras aplicaciones.

It has been shown that V4O7 possesses a metal-insulator transition temperature close to 250 K. However, limited research is available compared to more common phases, such as VO2 and V2O3. The limited availability of data is even further reduced for thin films despite this configuration being favorable for applications. This work presents a method for the preparation of V4O7 thin films onto SiO2 substrates using DC magnetron sputtering. The deposited films were characterized via AFM, XRD and resistivity as a function of temperature and yielded good quality V4O7/SiO2 samples. The film thickness and surface roughness varied between 150 – 230 nm and 26 – 43 nm respectively. The grain size was found to range from 613 nm to 704 nm. The resulting graphs from the XRD analysis displayed peaks characteristic of V4O7. The measured resistivity at 275 K was found to be less than 0.015 Ω-cm. At 160 K, the resistivity was measured at 2.12 Ω-cm. The transition temperature was identified as 226 K. A hysteresis of less than 2 K resulted. However, even with similar nominal deposition conditions, consistent reproduction of the electrical characteristics from sample to sample remained a challenge. Variations in the oxygen partial pressure during the deposition process can lead to deviations from exact stoichiometry within the deposited films. While small, these deviations cause variations in the resistivity. In an attempt to correct for the difference present in the electrical measurements as a function of temperature, an annealing process was utilized after the deposition. Despite AFM and XRD results that confirmed the presence of V4O7 in the post annealing samples, the electrical properties as a function of temperature weren’t characteristic of the material. The work described above relied on temperature variation to study the metal-insulator transition in V4O7/SiO2 thin films. However, previous studies have also shown the ability to induce or suppress the MIT via the application hydrostatic pressure. When combined with the wide range of vanadium oxide phases, numerous opportunities exist for future investigations. Cells capable of reaching the desired pressures are available for purchase, however, they carry a substantial cost and, due to the high pressures, have a limited number of uses. To make it more obtainable, the conceptual design of a piston-clamped pressure cell is presented within this thesis. The anticipated operational range of the cell is 3 GPa. Pressure is applied via a hydraulic press, through a piston and into the chamber of the cell. The sample would be placed in a Teflon capsule and submerged in a pressure transmitting fluid. A wiring platform within the capsule allows for four-point probe resistivity measurements as a function of pressure. Computer aided design (CAD) and finite element analysis (FEA) software were used to create virtual models of the pressure cell and detail initial drawings. It may also be possible to modify the device for other applications.