ZnO压电薄膜的性能

ZnO压电薄膜的性能

无机非金属材料工程 09120225 钟史伟

摘要：ZnO薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料，高质量的单晶或c轴择优取向的多晶ZnO薄膜具有良好的压电性质，能够用来制备高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器，在光电通信领域得到广泛的应用。本文综述了氧化锌压电薄膜的性能及其性能影响因素，同时叙述了掺杂铝或者锂氧化锌压电薄膜的特性变化。同时展望了氧化锌压电薄膜性能的广阔应用前景。关键字：氧化锌；压电薄膜；性能；掺杂

前言

ZnO是一种Ⅱ一Ⅵ族半导体材料，其结构为六方晶体结构,密度为5.67

g/cm，晶格常数u为0.32496 nm，

c=0.52065nm.室温下其禁带宽度是

3.3 eV,是典型的直接带隙宽禁带半导体。ZnO化学稳定性好,材料来源丰富,价格低廉,通过掺杂具有很好的光电

性能,是光电器件极具潜力的材料.

例如：掺A1、In 的ZnO薄膜导电性好，透过率高，可以用于平板显示器和太

阳能电池的透明电极；C轴取向的ZnO 薄膜可以用来制备低损耗的声表面波（SAW）滤波器等。

ZnO压电薄膜因其具有机电耦合

系数大、插损小、温度稳定性好等优

点而被广泛地用于制备声表面波(SAW) 滤波器。现如今最广泛的是利用射频

磁控溅射法制造的C轴定向的ZnO薄膜

具有很好的压电性，高质量的ZnO压电薄膜在薄膜外观以及微观结构上都有

较高的要求。表面应光滑、致密、无

微孔和裂缝；微观结构上,应是高度取向生长的多晶薄膜，晶粒细小,极性方向相同,并且堆积紧密.另外,还要求

其化学性质稳定，硬度较高，内应力小。

氧化锌薄膜的特性依靠于生长的

方法和各种参数。未来，为了评估测

量的属性必须将氧化锌薄膜应用于真

实的应用领域。因此，通过XRD，APM

研究了溅射参数工艺对于氧化锌压电薄膜压电性能的影响。

1.氧化锌压电薄

膜的性能

1.1 氧化锌压电薄膜简介

Z nO薄膜是一种具有广泛用途的材料，其性质随掺杂组分和制备条件的不同而表现出很大的差异性．目前对ZnO薄膜的研究主要集中在透明导

电性压电性、光电性、气敏性、

压敏性等方面．通过各种制备工艺和组分配比，在制备具有优良压电性能的ZnO薄膜、具有良好光电性能的透明ZnO薄膜以及具有良好气敏性能的ZnO 薄膜传感器材料的研究已取得了很大进展。

高密度、定向生长的ZnO薄膜是一种具有良好压电性质的材料。NKZ~yer 等研究表明，利用射频磁控溅射法在200.C的Si基片上沉积的c轴定向的ZnO薄膜具有很好的压电性,其0.9GHz 附近的高频区表现出很好的电声转换效应及低嵌入损耗(4.9dB)等特征,是制备高频纤维声光器件如声光调制器等压电转换器材料。

1.2氧化锌压电薄膜的特性

在实验和实际应用中为获得具有优良压电特性的ZnO薄膜，方便应用于实际器件中，薄膜结构基础要求：（1）纳米级的晶粒尺度(10～30nm)；

（2）很好的c轴取向；

（3）薄膜与基片具有良好的结构匹配；（4）较高的电阻率(JD≥10 Q·cm)

下图为制备得到的氧化锌薄膜XRD图谱

通过XRD图谱可以看出，在预定的工艺条件下，制备的薄膜均出现，尖锐的ZnO(002)衍射峰，峰位在2θ为34．29°，表明具有C轴择优取向。

下图为AFM扫描图

用磁控溅射法在不同工作气压和射频功率下制备的ZnO薄膜，通过XRD,AFM分析表明，实验制备的Z n O 薄膜具有很好的压电性质，c 轴取向和表面粗糙度对薄膜压电特性有很大影响，所以在制备ZnO压电薄膜时，应综合考虑各种工艺参数，制备出高度c 轴取向，结晶度高，表面粗糙度小的高质量的ZnO压电薄膜，进而开发制备出性能优良的压电器件。1.3氧化性压电薄膜的择优取

向特性

氧化锌的晶体结构属六方晶系

的纤锌矿型(wurtzite)，其c轴方向较其他方向具有更大的压电系数.因此

制备c轴择优取向的ZnO 薄膜是获得

高压电性能的关键.研究表明很多方

法制备的ZnO薄膜都能够沿c 轴生长.

但是ZnO具有Zn2+端面，O2 - 端面的

极性结构,其中Zn 原子按六方紧密堆

积排列,每个锌原子周围有4 个氧原子,构成[ZnO4]6-配位四面体结构,四

面体的一个顶角均指向c轴负方向；相应四面体的底面平行于(0001) 面.由

于锌原子与氧原子在c轴方向上不对

称分布,ZnO 晶体的(0001) Zn 面为正极面：而(0001 ) 面为负极面。所以ZnO 的生长方式也决定了其压电特性.通过研究可以看到且薄膜的c 轴取向

是[0001]方向。

2.掺杂对ZnO压电薄膜性能的研究

通常ZnO存在各种缺陷，它们严重影响了半导体材料的电学和光学性能。未掺杂ZnO 材料通常表现为n 型导电

特性，一般认为是由于氧空位和间隙

锌等本征点缺陷的存在而导致的。

2.1掺铝氧化锌压电薄膜

近年来，由于Al 掺杂的ZnO薄膜(ZAO)具有与ITO 薄膜相比拟的光电

性能，即可见光区的高透射率和低电

阻率，同时又因其价格较低以及在氢

等离子体中的高稳定性等优点，已经

成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料

和当前透明导电薄膜领域的研究

热点之一。

通过采用溶胶-凝胶方法在玻璃上

制备ZAO薄膜，用SEM对薄膜进行表征

得出不同铝掺杂浓度下薄膜的表面形

态，用XRD表征生长的取向，研究了不同浓度和热度处理的条件对薄膜取向

和结晶的影响，可以发现氧化锌压电

薄膜的性能发生了影响：1%铝掺杂浓

度条件下ZAO 薄膜的结晶性与微观组

织结构，其c 轴择优取向性较好；在

进行热处理100ºC 并退火600ºC 以上

的条件下制备出的ZAO 薄膜，其c 轴

取向都较优，单晶结晶较好，且光学

透射性能较佳。

2.2 ZnO：Li压电薄膜的性能

用sol—gel法在Pt/Ti/SiO /Si

衬底上制备了ZnO压电薄膜，并对其进行了晶体结构和电学性能的分析，可

以得到如下结论：(1) ZnO薄膜的(002)择优取向受Li 掺杂浓度和退火温度

的强烈影响，掺杂后的晶体质量明显

提高。随着掺杂浓度的增大,退火温度的升高，ZnO薄膜的(002)择优取向度

先增强，到一定程度后再减弱；(2) 掺杂后ZnO：Li的电阻率与未掺杂的相比显著提高，在退火温度600C、掺杂浓

度Li/Zn一0.10的条件下电阻率

1O.Q.cm,满足了压电器件的性能要

求.

结语

氧化锌压电薄膜具有很好的性能，在实际应用领域里具有非常重要的地位。C轴取向和表面粗糙度对薄膜压电特性有很大影响，高度c轴取向生长和表面粗糙度较小的，ZnO薄膜表现出更好的压电性质。同时掺杂的研究如铝和锂的掺杂能一定程度改观氧化锌压

电薄膜的某些特性，从而使氧化锌压

电薄膜更好的在实际中得到应用。元

素掺杂带来的性能上的改良和新应用

也是当今氧化锌压电薄膜的研究热点。通过对中外文献的阅读，总结了这篇

氧化锌压电薄膜的性能综述。了解了

氧化锌压电薄膜的应用和现状，特别

是其在SAW上应用特别突出广泛应用

于电子器件。

氧化锌压电薄膜还有巨大的发

展和研究空间，其性能更是有待突破

传统的ZnO压电薄膜性能，进入新的研究领域和新的突破。

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