Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Ηλεκτρική αντίσταση και οπτική διαπερατότητα λεπτών υμενίων VO 2 στην περιοχή μετάλλου-μονωτή (ΜΙΤ) Δήμητρα Μανούσου Κύριος επιβλέπων: Συσκάκης Εμμανουήλ, Επ. Καθηγητής Τμ.Φυσικής, ΕΚΠΑ Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων, Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2019
Δομή της παρουσιάσης Εισαγωγή - Στοιχεία θεωρίας - Σκοπός Πειραματική διαδικασία - Τεχνικές Πειραματικά αποτελέσματα Μετρήσεις Ηλεκτρικής αντίστασης & Οπτικής διαπερατότητας λεπτών υμενίων VO 2 Σύνοψη, Επόμενα βήματα Δήμητρα Μανούσου - Υποψήφια Διδάκτωρ Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2019 2
Στοιχεία θεωρίας VO 2 : Mετάβαση μετάλλου-μονωτή (ΜΙΤ) & Δομική μετάβαση (SPT) (μονοκλινής φάση ρουτιλίου) σε Τ c ~340 Κ Aδιευκρίνιστος μηχανισμός (Peierls ή Mott)! Δομική αλλαγή ΜΙΤ? & T SPT = T MIT ή T SPT T MIT Μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης (R) > (10 2-10 4 ) και της οπτικής διαπερατότητας (Transmittance) στο IR (~50%) ΜΙΤ (t ~ ps), SPT (t ~ μs) Εφαρμογές: Ηλεκτρονική (π.χ. Mott transistor), Τεχνολογία των αισθητήρων, Ενεργειακά παράθυρα Στόχος εργασίας: Η κατανόηση των χαρακτηριστικών της ΜΙΤ με ηλεκτρική και οπτική διέγερση και η διαμόρφωση τους για εφαρμογές 3
Πειραματική διαδικασία Παρασκευή λεπτών υμενίων VO 2 Physical Vapor Deposited V 2 O 5 films => VO 2 films 1 ο βήμα: Τήξη συμπιεσμένης σκόνης V 2 O 5 σε έλασμα τιτανίου PVD chamber 2 ο βήμα: Θερμική εξάχνωση/εξάτμιση σε T 1100K, P 10-5 mbar Ενάποθεση υμενίων V 2 O 5 σε υποστρώματα quartz, sc-al 2 O 3 και γυαλιά (πάχους 0.5mm) 2 ο βήμα 3 ο βήμα 3 ο βήμα: Αναγωγή υμενίων V 2 O 5 films σε υμένια VO 2 (πάχους μερικές εκατοντάδες nm) υπό σταθερή ροή Ν 2 2V 2 O 5 4VO 2 + O 2 P 4 10-1 mbar, T 500 C, t=3 h 4
Φασικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων Περιθλασιμετρία ακτίνων Χ XRD V 2 O 5 / VO 2 σε quartz VO 2 σε γυαλί VO 2 (M) α-v 2 O 5 5
Mετρήσεις Ηλεκτρικής αντίστασης & Οπτικής διαπερατότητας Μέτρησεις ηλεκτρικής αντίστασης (Τ: 300-380 Κ): Μία πηγή ρεύματος (225 current source, Keithley), βολτόμετρο (2000 DMM, Keithley) LED Δειγματοφορέας θέρμανσης Φακός εστίασης Φωτοδίοδος InGaAs Μέθοδος δύο επαφών, R=V/I 1) Μετρήσεις οπτικής διαπερατότητας: Α) Σε λ=1550nm (T: 300-380Κ) Β) Σε (λ: 400-1000 nm) Τ=300 Κ, Τ=380 Κ Transmittance= Ι Ιο 100% = I film+sub I sub 100% Φωτοδίοδος Si 2) Δειγματοφορέας θέρμανσης Μονοχρωμάτορας Φίλτρο λ: 500 nm Ίριδα 6
Ταυτόχρονη μέτρηση Ηλεκτρικής αντίστασης & Οπτικής διαπερατότητας σε 300 Κ<Τ<380 Κ VO 2 σε quartz: Επίδραση ρεύματος στην ΜΙΤ ΔR/R 0 3.5 τάξεις μεγέθους ΔΤransmittance (λ=1550 nm) 45% Τ ΜΙΤ = 348 Κ, Πλάτος βρόγχου 5K (I<500μΑ) Ι 500 μα: Μικρή μείωση της T MIT 344 K Διαπλάτυνση βρόγχου 7
Ταυτόχρονη μέτρηση Ηλεκτρικής αντίστασης & Οπτικής διαπερατότητας σε 300 Κ<Τ<380 Κ VO 2 σε γυαλί: Επίδραση ρεύματος στην ΜΙΤ ΔR/R 0 2.5 τάξεις μεγέθους ΔΤransmittance (λ=1550 nm) 45% Τ ΜΙΤ = 347 Κ, Πλάτος βρόγχου 5K (I<500μΑ) Ι 500 μα: Μικρή μείωση της T MIT 327 K Διαπλάτυνση βρόγχου 8
Αποτελέσματα ηλεκτρικής αντίστασης σε 275 Κ<Τ< 350 Κ με μέτρηση της θερμοκρασίας (στο κέντρο) του δείγματος Layer VO 2 πάχους 10μm σε Υ- ZrO 2 θέρμανση ψύξη Επαφές αργύρου Θερμόμετρο πλατίνας Πρόσληψη λανθάνουσας θερμότητας Ψύξη δείγματος Έκλυση λανθάνουσας θερμότητας Θέρμανση δείγματος T o : Θερμοκρασία δείγματος T: Θερμοκρασία διάταξης MIT και SPT πραγματοποιούνται ταυτόχρονα σε μέρος του δείγματος 9
Μέτρηση Οπτικής διαπερατότητας στην περιοχή 400-1000nm σε Τ=300Κ και Τ=370Κ VO 2 σε γυαλί 10
Μέτρηση Οπτικής διαπερατότητας στην περιοχή 400-1000nm σε Τ=300Κ και Τ=370Κ VO 2 σε γυαλί Ζωνοπερατό φίλτρο VO 2 (οπτικό ζωνοπερατό φίλτρο) => Αύξηση Signal-to-Noise Ratio Βελτίωση χρήσης λεπτών υμενίων VO 2 ως οπτικά φίλτρα: Τροποποίηση της γεωμετρίας ή/και της χημικής τους σύστασης 11
Σύνοψη Επόμενα βήματα Σύνοψη Εναποτέθηκαν λεπτά υμένια V 2 O 5 με την μέθοδο PVD και ανάχθηκαν σε υμένια VO 2 (Μ) υπό συνθήκες ροής N 2. Τα υμένια αυτά χαρακτηρίστηκαν υψηλής πιότητας με βάση τα αποτελέσματα των ηλεκτρικών και οπτικών μετρήσεων. Η ροή του ρεύματος Ι τροποποιεί την MIT: Η διαπλάτυνση του βρόγχου υστέρησης αποτυπώνεται τόσο στην ηλεκτρική όσο και στην οπτική απόκριση. Θεωρείται πιθανό η τροποποίηση αυτή να οφείλεται, εν μέρει, στην επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Η εξάρτηση της οπτικής διαπερατότητας των υμενίων VO 2 από το μήκος κύματος, φαίνεται να ευνοεί την χρήση τους ως ζωνοπερατά φίλτρα στην περιοχή των οπτικών επικοινωνιών. Επόμενα βήματα: α) Διερεύνηση της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίου στην ΜΙΤ β) Μελέτη της επίδρασης προσμίξεων στις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες λεπτών υμενίων (V,M)O 2 (M=Fe...) στην περιοχή της ΜΙΤ 12
Ερευνητική δραστηριότητα Διεθνή συνέδρια D.K. Manousou, A.N. Stassinakis, E. Syskakis, H.E. Nistazakis *, G.S. Tombras, Ch.K. Volos, A.D. Tsigopoulos, Hector E. Nistazakis, 7th International Conference, ΙΕΕΕ - MOCAST 2018, Estimation of the influence of Vanadium Dioxide Optical Filters for the Performance of Visible Light Communication Systems, 7-9 Μαϊου 2018, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα D. K. Manousou, S. Gardelis, E. Syskakis, A.Ν. Stassinakis, H.E. Nistazakis, 7th International Conference Micro & Nano 2018, VO 2 thin films prepared by reduction of PVD - deposited V 2 O 5 on transparent substrates: Electrical, optical properties around SMT and relevant applications 5-7 Νοεμβρίου 2018, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα Πανελλήνια συνέδρια D. K. Manousou, A. Theodorou, S. Gardelis, and E. Syskakis, XXXIII Panhellenic Conference on Solid State Physics and Materials Science, Electrical and optical properties of VO 2 thin films prepared by reduction of PVD-deposited V 2 O 5 on transparent substrates, 17-19 Σεπτεμβρίου 2018, Λευκωσία, Κύπρος Δημοσίευση D. K. Manousou, A.N. Stassinakis, E. Syskakis, H.E. Nistazakis, G.S. Tombras, Estimation of the influence of Vanadium Dioxide Optical Filters for the Performance of Visible Light Communication Systems, International Conference on Modern Circuits and Systems Technologies - IEEE MOCAST 2018, DOI:10.1109/MOCAST.2018.8376653 13
Δήμητρα Μανούσου - Υποψήφια Διδάκτωρ Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2019 Ευχαριστίες Τριμελής Επιτροπή: Συσκάκης Εμμανουήλ, Επ. Καθηγητής Τμ.Φυσικής, ΕΚΠΑ Γαρδέλης Σπυρίδων, Αν. Καθηγητής Τμ. Φυσικής, ΕΚΠΑ Λυκοδήμος Βλάσσης, Επ. Καθηγητής Τμ. Φυσικής, ΕΚΠΑ Συνεργάτες: Νισταζάκης Έκτορας, Αν. Καθηγητής Τμ. Φυσικής, ΕΚΠΑ Στασινάκης Αργύρης, PHD Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!
Smart windows Μείωση Τ ΜΙΤ Αύξηση οπτικής διαπερατότητας στο ορατό Μείωση διαπερατότητας στο υπέρυθρο 15