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1、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；掺杂薄膜压电性能的影响。1 .氧化锌压电薄膜的性能刖言ZnO是一种II 一丑族半导体材料， 其结构为六方晶体结构，密度为5.67 g/cm，晶格常
2、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Zn O薄膜 具有很好的压电性，高质量的ZnO压
3、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1.1氧化锌压电薄膜简介ZnO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Zn O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
4、各种制备工艺和 组分配比，在制备具有优良压电性能 的Zn O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。NKZyer 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
5、结构基础要求： (1)纳米级的晶粒尺度(1030nm)；(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(JDN10 Qcm)下图为制备得到的氧化锌薄膜XRD图谱图1 端。薄膜XRD图谱FigXRI) paitem of ZnO thin nJtn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 Zn0(002)衍射峰，峰位在2。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Zn 0薄膜，通过 XRD,AFM分析表明，实验制备的Z n 0 薄膜具有很好的压电性质，c轴取向 和表面粗糙
6、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ZnO46-配位四面体结构，四
7、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
8、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IT O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ZA O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100C并退火600C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
9、能较佳。贮退火颈yt退火lore蔑处基、不同退火涓度条朴L 1%铝拶荣浓度的 一由。薄膜的XRDilVI.2.2 ZnO： Li压电薄膜的性能用 solge l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一0.1
10、0的条件下电阻率 lO.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
11、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Zn O压电薄膜性能，进入新的研 究领域和新的突破。参考文献1J.Molarius,j.Kaitila,T.Pensal a,M.Ylilammi Piezoelectric ZnO films by r.f. sputtering.Journal of Materials science Materials in electronics 14(2003)431-435.2 Walter Water,Yin-shiangyan,Teen-Hang Meen.Effect of magnesium doping on the st
12、uctral and Piezoelectric Properties of sputtered ZnO thin film.Sensors and actuators A 144(2008)105-108.3 X.B.Wang,C.Song,D.M.Li,K.W.Ge ng,F.Zeng,F.pan.The influence of different doping elements on microstructure,piezoelectric coefficient and resistivity of sputtered ZnO film.Applied Surface Science
13、 253(2006) 1639-1643.4D.F.LJaenkins,M.J.Cunningham,G.velu,D.Remiens.The use of sputtered ZnO piezoelectric thin films as broad-band microactuators.Sensors and Actuators A 63 (1997) 135-139.Water,sheng-yuan6chu.Physical and structural properties of ZnO sputtered films.Materials Letters 55 (2002) 67-72.J.Golebiowski.Fabrication of piezoelectric thin film of zinc oxide in composite membrane of ultrasonic microsensors.Journal ofmaterialsscience34(1999)4661-4 664-
