隨著微電子技術(shù)和武器裝備水平的高速發(fā)展,對溫度作用下半導(dǎo)體材料的服役性能提出了更高的要求,為此開展典型半導(dǎo)體材料光電性能的溫度依賴特性研究具有重要意義。SiC和VO2半導(dǎo)體材料具有特殊的溫度依賴特性,在高溫吸波和智能激光防護等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。本論文以SiC和VO2為研究對象,研究了不同類型元素?fù)诫s對SiC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電性能的影響規(guī)律,構(gòu)建了SiC的摻雜-結(jié)構(gòu)-溫度-性能之間的關(guān)系。探索了相組成、薄膜取向、微觀結(jié)構(gòu)等因素對VO2薄膜相變性能和高溫穩(wěn)定性的影響機理,建立了Al2O3/TiO2/VO2多層復(fù)合薄膜的相變性能調(diào)控方法。(一)非磁性元素?fù)诫s碳化硅的電子結(jié)構(gòu)、高溫介電和吸波性能研究采用第一性原理計算研究了非磁性元素(Al、N)摻雜對3C-SiC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電導(dǎo)的影響。發(fā)現(xiàn)Al/N共摻雜SiC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要優(yōu)于Al單摻雜。共摻雜SiC在近紅外至紫外區(qū)域的光電導(dǎo)值明顯高于純SiC,且本征吸收帶邊紅移幅度大于Al摻雜。深入分析了Al、N和Al/N共摻雜SiC的電子躍遷和補償機制,揭示了摻雜對SiC帶隙裁剪和光電導(dǎo)調(diào)控的作用本質(zhì)。采用機械活化輔助燃燒合成法成功制備出Al、Al/N和N摻雜3C-SiC粉末。發(fā)現(xiàn)非磁性元素?fù)诫s可以增加SiC的載流子和空位等缺陷數(shù)量,從而提高了SiC的介電常數(shù)虛部?'和介電損耗tanδ。在X波段,Al和Al/N摻雜SiC的?'隨著溫度升高表現(xiàn)出的增加幅度大于N摻雜,表明電導(dǎo)損耗的貢獻較大;而N摻雜SiC的?'出現(xiàn)兩個明顯的弛豫峰,以弛豫損耗為主。N摻雜體系的兩個弛豫峰是由N摻雜引起的缺陷以及空位缺陷引起的偶極子極化弛豫所致。相比于純SiC,Al、Al/N和N摻雜SiC在623K時的最大反射損耗由15.59dB提高為18.46、28.96和21.24dB,有效帶寬從1.57GHz拓寬至2.31、2.76和2.74GHz。說明非磁性摻雜有效改善了SiC的高溫吸波性能。(二)過渡金屬摻雜碳化硅的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能及高溫介電性能研究采用DFT+U的修正方法探索了Ni摻雜SiC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)Ni取代Si原子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于取代C原子。Ni摻雜在SiC的能帶結(jié)構(gòu)帶隙中引入未填滿態(tài)雜質(zhì)能級。隨著Ni摻雜濃度的增加,雜質(zhì)能級數(shù)量增加,進一步提高了SiC的電導(dǎo)率。Ni摻雜SiC的介電常數(shù)、吸收譜和光電導(dǎo)在低頻均出現(xiàn)3個新峰,吸收帶邊紅移至遠紅外區(qū)域,這是由電子在價帶、雜質(zhì)能級和導(dǎo)帶之間的躍遷所致。采用機械活化輔助燃燒合成法成功制備出Fe、Co和Ni摻雜3C-SiC粉末。Fe、Co和Ni摻雜均可以提高SiC的介電性能,提高幅度依次為Fe摻雜Co摻雜Ni摻雜。在X波段,隨著溫度從293K升高至623K,Fe、Co和Ni摻雜SiC的介電常數(shù)出現(xiàn)增加趨勢。Co和Ni摻雜體系的介電常數(shù)虛部?'出現(xiàn)兩個弛豫峰,Fe摻雜體系的介電常數(shù)虛部?'僅出現(xiàn)一個弛豫峰。通過研究Fe、Co和Ni摻雜及碳空位(Vc)對SiC能帶結(jié)構(gòu)和差分電荷密度圖的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)摻雜和空位同時作用時,SiC帶隙中出現(xiàn)更多的雜質(zhì)能級,彼此增加了對方吸引電子的數(shù)目,破壞了體系的電荷平衡,形成偶極子,偶極子的極化弛豫形成了介電常數(shù)虛部的弛豫峰。(三)不同晶向藍寶石基底上VO2薄膜的制備及高溫穩(wěn)定性研究系統(tǒng)研究了磁控濺射、后續(xù)熱處理工藝以及不同晶向Al2O3襯底對VO2薄膜成分、微觀形貌和相變特性的影響,優(yōu)化出薄膜的最佳制備工藝參數(shù)。分別在m-、a-和r-Al2O3襯底上誘導(dǎo)出具有3種(402)、(002)和(011)不同擇優(yōu)取向的VO2薄膜,薄膜相變前后電阻躍遷幅度均達到4個數(shù)量級以上。由于VO2和不同基底之間的晶格錯配度不同,導(dǎo)致VO2薄膜微觀形貌各異,其中,m-Al2O3/VO2主要以條狀和等軸晶粒為主,a-Al2O3/VO2主要由大尺寸等軸晶粒組成,r-Al2O3/VO2則是由細(xì)小等軸晶粒組成。在高溫氧化環(huán)境中,開展了不同微觀形貌VO2薄膜的組織和光電調(diào)制性能的演變規(guī)律研究,揭示了擇優(yōu)取向、晶粒形狀、晶粒尺寸和缺陷對VO2薄膜抗氧化性的影響機制,發(fā)現(xiàn)m-Al2O3/VO2具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性,a-Al2O3/VO2具有最穩(wěn)定的紅外調(diào)制率。(四)Al2O3/TiO2/VO2復(fù)合薄膜的相變性能調(diào)控及激光防護性能研究采用磁控濺射方法在m-Al2O3基底上原位制備了金紅石相TiO2緩沖層。研究了原位和經(jīng)熱處理的TiO2緩沖層對VO2薄膜的取向、形貌和相變性能的影響,發(fā)現(xiàn)原位TiO2誘導(dǎo)的VO2薄膜具有(402)擇優(yōu)取向,相變點為59℃,相變前后電阻率躍遷幅度達4.7個數(shù)量級,熱滯回線寬度為2℃。獲得了TiO2緩沖層厚度和VO2薄膜厚度對VO2的成分、形貌和相變性能的影響規(guī)律。隨著緩沖層厚度的增加,VO2薄膜的相變點依次升高(40℃、62℃和66℃)。隨著VO2薄膜厚度的增加,薄膜的晶粒尺寸增加,相變點從40℃升高至60℃,表明當(dāng)VO2厚度超過臨界厚度時,外延應(yīng)力得到部分釋放,TiO2的誘導(dǎo)作用減弱。開展了VO2薄膜和TiO2/VO2復(fù)合薄膜的1064nm準(zhǔn)分子納秒脈沖激光防護行為研究,并探討了損傷機理,兩種薄膜激光損傷閾值分別為19.9mJ/cm2和44.8mJ/cm2。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN304

【共引文獻】

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本文編號：2813644