一種快速測量薄膜R-T曲線的簡易裝置

屈豪杰， 郭玉獻， 張東徽

(安徽建筑大學 數理學院 先進電子材料與器件重點實驗室，合肥 230601)

0 引 言

近年來，半導體薄膜材料在光學與電學領域都起著至關重要的作用。前者主要研究薄膜表面折射率和透射率之間的關系，根據其特性廣泛應用于光學器件；后者主要研究半導體薄膜材料的溫阻特性，特別對于一些相變材料，如二氧化釩薄膜等；然而，如何快速、準確測量薄膜材料的溫阻特性一直是人們不斷追求的目標。以往的高精度溫控電阻測試系統[1]和四探針測量技術[2]極大程度上解決了該領域的測量要求，但這些裝置存在著體積龐大、價格昂貴和測量效率較低等不足之處。基于此，本文借鑒以往對熱敏電阻等相關領域測量裝置的設計經驗[3-5]，設計了一種快速測量薄膜R-T曲線的簡易裝置，兼顧到測量的低成本、簡易便攜、高效測量的要求，力求更加便捷、高效地測量薄膜的溫阻特性。為進一步驗證本裝置的有效性，利用VO2納米薄膜進行溫阻特性的測試。VO2是典型的相變材料，其接近室溫的相變溫度(～68 ℃)使其廣泛應用于閾值開關[6]、傳感器[7]、智能窗[8]和能源電池[9]等領域；當溫度升至相變溫度時，薄膜從低溫時的絕緣相轉變為高溫時的金屬相，并伴隨著熱力學、電學、光學和磁學性質的突變，其R-T曲線呈現出典型的“熱滯”現象，對該曲線的測量是深入研究其相變機理與實際應用的基礎，考慮到溫度測量的滯后性，對不同加熱功率對VO2相變曲線的影響進行了測量與分析。

1 實驗裝置

1.1 測量原理

以固定功率加熱樣品臺到一定溫度，再自然降溫，在此過程中，通過電阻與溫度傳感器按固定時間間隔實時采集薄膜表面的溫度與電阻，利用Origin軟件進行線性內插，再以時間為媒介，建立溫度與電阻之間的對應關系，從而獲得薄膜樣品的溫阻特性，即R-T曲線。

1.2 裝置組成

如圖1所示，實驗裝置由樣品臺、探針架、電阻與溫度測量系統以及控溫系統組成，其中，樣品臺由導熱性能良好的黃銅材質制成，測量時薄膜樣品放在銅臺上，通過導熱膏增加樣品與銅臺的熱接觸；樣品臺上設計一個中空螺紋桿，結合固定螺母可以固定探針架并調節探針架的上下位置，從而保持探針與樣品表面的良好接觸；中空螺桿可以內置加熱棒，實現對樣品臺的升降溫過程。同時，電阻探針與溫度傳感器固定在探針架上，前者具有6 mm的彈性伸縮長度，以保證探針與樣品表面在壓力下的密切接觸；實時數據通過與電腦通信直接采集。另外，加熱棒與電源中間通過調壓器連接，調壓器可以改變輸出的電壓，從而調節樣品的加熱功率，降低溫度測量滯后性的影響。

1-加熱棒，2-中空螺紋桿，3-固定螺母，4-探針架，5-電阻探針，

探針架由聚四氟乙烯材料制成，具有絕緣、隔熱的特點，在上面設計貫通的安裝孔用來安裝電阻探針與溫度探頭。其中，3個安裝孔為一組，其中兩個用來安裝電阻探針；一個安裝溫度探頭。基于以前的報道，樣品的溫度特性通過升降溫過程來實現，而該過程非常耗時，如果能在一次升降溫中實現多個樣品的同時測量，無疑會大大提高測量的效率。基于此，在探針架上共設計了6組探針孔，全部安裝探針后可以實現一次加熱過程中可同時測量6塊樣品。考慮到測量過程中樣品表面的散熱波動，設計了輻射防護罩，內貼鋁箔，使得測量過程更加穩定，降低因環境溫度波動對測量的影響，這對于薄膜表面穩定的溫度測量是至關重要的。

2 實驗測試與結果分析

實驗制備二氧化釩的方法有很多，包括溶膠-凝膠法、磁控濺射法、化學沉積法、直流濺射法和水熱法等[10-14]。本測試所用的薄膜樣品采用溶膠-凝膠法制備，結合后續的退火工藝完成。具體以三異丙醇氧釩為溶質，異丙醇和冰醋酸為溶劑按一定比例混合制成[15]。

使用本裝置對上述樣品的R-T曲線進行測量；當加熱功率為4.0 W時，得到薄膜電阻隨溫度的變化趨勢如圖2(a)所示。可以看出，其相變前后電阻變化高達3個量級，顯示薄膜具有良好的相變特性；同時，注意到曲線具有明顯的“熱滯”現象，與文獻中報道的VO2特性基本一致[8]。為更準確地對薄膜的相變參數進行研究，對薄膜電阻先取對數后再求導，得到其微分曲線如圖2(b)所示。取斜率最大溫度點為相變溫度，可以看出薄膜升溫與降溫時的相變溫度分別為64.8 ℃與60.2 ℃，相變寬度為兩者之差4.6 ℃，平均相變溫度為62.5 ℃，與文獻[8,15]中報道結果類似。同時，還注意到圖2(a)中A處存在著一個小的波動，這可能與VO2從M相向R轉變過程中出現的中間相(M2相)有關[16-17]。

(a) 相變曲線>

由于熱量傳遞需要時間，因此，溫度測量存在一定的滯后性；理論上講，加熱功率越低，溫升越慢，溫度滯后的影響越小，也就越能測量出更細微的變化趨勢。為進一步研究加熱功率對R-T曲線的影響，改變加熱棒的輸出功率分別為0.2、0.9與4.0 W，得到對應的R-T曲線與微分曲線如圖3所示。從圖3(a)可以看出，熱滯回線左側的降溫曲線基本重合，這與3次降溫過程都是自然降溫有關；這一點在圖3(b)中也得到體現，其降溫時的相變溫度都約為60.2 ℃。觀察圖3(a)中的升溫曲線，發現0.2與0.9 W的曲線基本重合，但在A和B處還是存在著細微的差別。很明顯，0.2 W對應的曲線更加精細，而0.9 W對應曲線僅表達了大致的趨勢。這說明：升溫功率越高，采樣點減小，越不易測量到細微結構。比較而言，0.2 W的測量參數可以得到更加準確的R-T曲線。同時，在圖3(b)中，還觀察到4.0 W的升溫曲線明顯出現向低溫側的偏移，偏移量約為0.8 ℃。說明這種情況下溫度測量的滯后性影響已開始顯現，據此測量會在一定程度上影響測量的相變溫度與相變寬度，位于A與B處的曲線細微結構更是無法測得。綜上，小功率加熱有利于測量誤差的減小，選擇適當的加熱功率對實驗測量是非常重要的；4.0 W的測量可以反映R-T曲線的大致趨勢，但升溫線有一定偏移，0.9 W的測量結果更穩定，0.2 W的測量更精確，可以測量到曲線的細微結構。總之，通過使用本裝置能夠很好地反映VO2薄膜電阻隨溫度的變化關系，準確反映其相變特征；另外適當降低加熱功率可以有效減小熱滯后的影響，顯著提高測量的精度。

(a) 相變曲線>

3 結 語

本文設計了一種測量半導體薄膜R-T曲線的簡易裝置，具有結構簡單、操作方便與測量效率高等優點，能夠很大程度上滿足教學與科研需求。通過對VO2薄膜相變曲線的測量，證明該裝置測量的有效性與可操作性，相比4.0 W與0.9 W的加熱功率，0.2 W的加熱功率能很好地降低熱滯后影響，得到R-T曲線的細微結構。