Deposition and characterization of thin films of vanadium dioxide

Abstract

In this work, thin films of VO2 and V2O3, were deposited on glass (SiO2) and TiO2 (001) substrates, by D.C. magnetron sputtering, in order to study their structural, electrical, optical and morphological properties. In addition, a thermal treatment was performed on these films under pressure and temperature conditions where VO2 is stable, with the purpose of bringing sample composition close to the correct stoichiometry of this compound. In the same manner, transformation of the V2O3 samples into VO2 was tested. A way to reduce the transition temperature of VO2 to room temperature is through the application of strain. An analogy for this is to grow VO2 in RuO2, because RuO2 has a similar structure to that of this vanadium oxide. To study this effect, RuO2 films were grown on SiO2 and TiO2 (001) substrates and the properties mentioned above were studied. In the study of structural properties using the X-ray diffraction technique, characteristic peaks of the monoclinic structure of the M1 phase of VO2 were observed. The formation of the rhombohedral structure of V2O3 and the tetragonal structure of RuO2 was also determined. In RuO2 its epitaxial growth on TiO2 (001) was confirmed. After carrying out the heat treatment of the VO2 films, it was found that diffraction peaks were close to those reported for the bulk material, showing an improvement in their structural properties. In the case of V2O3 films after the heat treatment, characteristic peaks of the M1 phase of VO2 were found which confirm that there was an oxidation of V2O3 to VO2. The morphology of the films was studied by atomic force microscopy. It was observed that VO2 and V2O3 films showed a slight increase in grain size and a relatively smooth surface after heat treatment. The optical properties were studied by the percentage change in transmittance as a function of temperature, using a laser with wavelength in the infrared. The study of electrical properties was carried out using the Van der Pauw technique. Both, in the optical and electrical properties, it was observed that when the VO2 films were deposited under the same nominal conditions they showed differences in their properties. These changes can be attributed to small variations in the material's stoichiometry.

En este trabajo se depositaron películas delgadas de VO2 y V2O3 sobre sustratos de vidrio (SiO2)y TiO2 (001) por sputtering magnetrón D.C., con el propósito de estudiar sus propiedades estructurales, eléctricas, ópticas y morfológicas. Además, a estas películas se les realizó un tratamiento térmico a las condiciones de presión y temperatura donde el VO2 es estable, con el propósito de acercar la composición de las muestras a la estequiometría correcta de este compuesto. Del mismo modo, se ensayó la transformación de las muestras de V2O3 en VO2. Una forma de bajar la temperatura de transición del VO2 hacia temperaturas cercanas a la ambiente es por medio de aplicación de tensiones. Una analogía a esto es crecer VO2 sobre RuO2, debido a que el RuO2 tiene una estructura similar a este oxido de vanadio. Para estudiar este efecto se crecieron películas de RuO2 sobre sustratos de SiO2 y TiO2 (001) y se estudiaron las propiedades anteriormente dichas. En el estudio de las propiedades estructurales por medio de la técnica de difracción de rayos x, se observaron picos característicos de la estructura monoclínica de la fase M1 del VO2; al igual se determinó la formación de la estructura romboédrica del V2O3 y la estructura tetragonal del RuO2. Para este último, se confirmó su crecimiento epitaxial sobre TiO2 (001). Luego de realizar el tratamiento térmico a las películas de VO2, se obtuvo que los picos de difracción estaban cerca a los reportados para el material en grueso, evidenciando un mejoramiento en sus propiedades estructurales. Para el caso de las películas de V2O3 después del tratamiento térmico, se encontraron picos característicos de la fase M1 del VO2, comprobando que hubo una oxidación de V2O3 al VO2. La morfología de las películas fue estudiada por microscopia de fuerza atómica. Se pudo observar que las películas de VO2 y V2O3 presentaron un ligero aumento en el tamaño de grano y una superficie relativamente suave luego del tratamiento térmico. Las propiedades ópticas fueron estudiadas por el cambio del porcentaje de transmitancia en función de la temperatura, utilizando un láser con longitud de onda en el infrarrojo. El estudio de las propiedades eléctricas se realizó por medio de la técnica de Van der Pauw. Tanto en las propiedades ópticas como eléctricas, se observó que cuando se depositaron las películas de VO2 bajo las mismas condiciones nominales estas mostraron diferencias en sus propiedades. Estos cambios pueden ser atribuidos a pequeñas variaciones en la estequiometria del material.