Sol-gel growth and structural, electrical, and optical properties of vanadium-based oxide thin films

Thin films of $V_2O_3$, $VO_2$, and $V_2O_5$ were obtained from a single precursor solution through post-annealing processes under different annealing conditions. As annealed in air, the deposited films became $V_2O_5$ with orthorhombic crystal structure, while they were $V_2O_3$ and $VO_2$ with rhombohedral and monoclinic crystal structure as annealed in vacuums with base pressure of $1{\times}10^{-6}$ Torr and with 10 mTorr $O_2$ pressure, respectively. Electrical and optical measurements indicated that the $V_2O_5$ and $VO_2$ films are semiconducting, while the $V_2O_3$ films are metallic at room temperature. Chromium doping in $VO_2$ resulted in a decrease of the resistivity and changed the conduction type from n-type to p-type. 10% Cr-doped $VO_2$ films were found to have orthorhombic crystal structure, which is different from that of the undoped $VO_2$. Spectral features in the optical absorption spectra of all the films were interpreted as the transitions involving O 2p and V 3d bands. The crystal-field splittings between $t_{2g}$ and $e_g$ states of the V 3d bands are estimated to be about 1.5 and 1.0 eV for $V_2O_5$ and $VO_2$, respectively.

바나듐 옥사이드 박막의 성장 및 그 구조적, 전기적, 광학적 특성

$V_2O_3$, $VO_2$, $V_2O_5$ 박막들이 하나의 선구 용액으로부터 다양한 후열처리 조건을 통하여 제작될 수 있었다. 진공 중 후열처리 시 rhombohedral 구조의 $V_2O_3$ 박막이 형성되어졌고, 공기 중 후열처리 시 orthorhombic 구조의 $V_2O_5$ 박막을 얻을 수 있었다. Monoclinic 구조의 $VO_2$ 박막은 진공 후열처리 중 $O_2$ 가스를 공급함으로써 제작될 수 있었다. $V_2O_3$ 박막이 상온에서 도체적 특성을 보이는 반면, $V_2O_5$, $VO_2$ 박막은 반도체적 성질을 지니고 있음을 전기적, 광학적 특성 조사를 통하여 알 수 있었다. 크롬(Cr)이 도핑됨에 따라 $VO_2$ 박막은 그 전기전도성이 n-type에서 p-type으로 변화하였고 비저항이 감소되는 결과를 나타내었다. 또한, 크롬 도핑된 $VO_2$ 박막은 orthorhombic 구조를 나타내었다. 이와 같은 바나듐 옥사이드 박막들에서 관측된 광학적 흡수 구조들은 O 2p 에서 V 3d 밴드로의 전이에 의한 것으로 해석되어진다. 바나듐 이온의 $t_{2g}$ 상태와 $e_g$ 상태 사이의 결정장 갈라짐(crystal-field splitting)은 $V_2O_5$와 $VO_2$에 대해서 각각 1.5 및 1.0 eV로 해석된다.