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ZnO薄膜材料及其相关声学器件研究

作　者: 王艳
导　师: 张淑仪
学　校: 南京大学
专　业: 声学
关键词: 压电薄膜 ZnO 氢气传感器 SAW 薄膜材料蓝宝石衬底机电耦合系数纳米棒声学器件传感机理纳米材料敏感膜薄膜厚度气体传感器敏感层叉指电极磁控溅射水热合成相速度闭环振荡电路
分类号: TN304.055
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文主要从事Zn0薄膜材料的制备及其相关声学器件等方面的研究。全文共分为七章,除第一章序言和第七章结论之外,主要包括三部分内容：(1)一维ZnO 纳米材料的制备以及Love波氢气传感器的研制和传感测试；(2)(1120)ZnO压电薄膜的制备及HBAR和SAW器件的声学特性研究；(3)基于(1120)Zn0压电薄膜生长于不同衬底结构的SAW器件的理论分析。1、ZnO纳米材料的制备及Love波氢气传感器ZnO薄膜和纳米材料具有体材料所不具备的优异特性,在紫外激光器、声表面波器件、太阳能电池等诸多领域得到广泛应用。高质量Zn0薄膜及纳米阵列的制备是一个重要的研究课题,也是当前的研究热点。对于SAW气体传感器而言,敏感膜是非常重要的部分。一维Zn0纳米材料的表面积随着直径尺寸的下降而急剧扩大,其活性迅速提高,作为气敏材料而言,气体吸附量也迅速增加,因此大大改善了其气敏性能,是气敏材料的良好选择。Love波传感器灵敏度高,应用范围广,既可用于气体环境中有毒、有害气体的泄漏检测,也可用于液体环境中水污染,化学、生物物质,甚至病毒、DNA等的检测。Love波传感器体积小、易于集成,适合大批量生产,易于远程监控。近年来Love波传感器的研究也迅速开展。论文第二章研究了RF磁控溅射法和水热合成法两步制备一维ZnO纳米材料。利用XRD, SEM和XPS方法,详细表征制备条件对ZnO纳米棒晶体结构、形貌和化学组分的影响。分析表明,利用RF磁控溅射ZnO晶种生长的纳米棒呈现更好的c轴取向。纳米棒端面六角分明,尺寸均匀,垂直于衬底生长。然后以RF磁控溅射法制备晶种,分析了水热合成条件,如前驱液pH值,衬底材料,水热溶质以及杂质离子等因素的不同对ZnO纳米棒的影响,优化得到最佳生长条件。最后分析了ZnO纳米棒的生长机理。论文第三章研究利用RF磁控溅射ZnO导波层(晶种)和水热合成ZnO纳米棒敏感层的两步方法,研制ZnO nanorods/36°YX-LiTa03结构的Love波氢气传感器。传感结果显示,室温下,ZnO晶种层1μm, ZnO纳米棒敏感膜2μm, Pt催化剂层7nm时氢气传感效果最佳。利用闭环振荡电路测得Love波氢气传感器在氢气浓度为0.04%,0.08%,0.16%,0.32%,0.76%,1%时传感器的频率偏移分别为8kHz,11.5kHz,14kHz,19.4kHz,26kHz,27.9kHz。该氢气传感器灵敏度高,重复性和稳定性好且反应迅速(30s内)。XPS结果显示ZnO薄膜中存在明显的氧空位缺陷,因此氢气传感机理用氧空位缺陷模型解释。2、(1120)ZnO压电薄膜的制备及应用随着现代移动通讯行业的迅猛发展,工作频率超过1GHz的SAW器件在高频无线通讯中有着广泛的需求。但是工作频率在2.5GHz以上的SAW器件,叉指电极的宽度将达到光刻技术的极限。因此,为了降低制作工艺的难度,需要通过提高SAW器件相速度的方法得到更高的工作频率,例如沉积ZnO压电薄膜于高相速度的衬底(如蓝宝石)。(0002)晶面表面能较低,故ZnO薄膜往往呈现(0002)择优取向生长,(0002)ZnO压电薄膜已得到广泛的研究和应用。ZnO薄膜材料各向异性的声波性质在声波器件中得到充分的应用,如R面蓝宝石衬底上的(1120)ZnO薄膜,该压电薄膜在剪切模式薄膜体声波谐振器(FBAR),高频剪切换能器及水平剪切SAW器件等方面得到广泛的应用。剪切声波波速约为纵波波速的一半,因此获得相同的工作频率,剪切模式FBAR薄膜厚度是纵波FBAR的一半,从而减小器件的尺寸。ZnO压电薄膜(1120)面的机电耦合系数高于(0001)面,可用于制备高性能SAW器件,还可利用Rayleigh波的高阶模式(Sezawa波)获得更高的相速度,而且Sezawa波具有更高的机电耦合系数,能减少高频器件的插入损耗。第四章利用RF磁控溅射技术及ZnO与R-蓝宝石的外延关系,制备单晶(1120)ZnO压电薄膜。详细研究了衬底温度,溅射气体及组分以及衬底位置等对(1120)ZnO薄膜结构和形貌的影响,优化(1120)ZnO薄膜的生长条件。另外,通过在ZnO粉靶中掺入Li+或A13+实现薄膜材料的p型或n型掺杂,从而控制ZnO薄膜材料的阻值,实现ZnO薄膜在绝缘性质(如压电器件)和导电性质(如透明电极)方面的应用需求。第五章,利用(1120)ZnO压电薄膜/R-蓝宝石衬底制作高次体波谐振器(HBAR)及SAW器件并讨论相关的声学特性。当溅射的衬底位置不同时,(1120)ZnO压电薄膜的晶体结构及声学特性亦不同。由于(1120)ZnO薄膜无法在金属材料上生长获得,实验中选择掺A13+的(1120)ZnO薄膜代替金属薄膜作为HBAR的底电极,掺入杂质离子A13+后(1120)ZnO薄膜电阻率达到10-3Ω·cm量级。制得HBAR的最终结构为：Pt电极/(1120)ZnO压电薄膜/Al-(1120)ZnO薄膜底电极/R-蓝宝石衬底。利用阻抗分析仪分析测试HBAR的阻抗特性,并计算声波相速度及机电耦合系数,表明最佳位置所激发单一模式水平剪切波的机电耦合系数k15=0.237,达到单晶ZnO(k15=0.26)机电耦合系数的91%。另外,利用(1120)ZnO压电薄膜/R-蓝宝石衬底结构SAW器件,研究当声波沿不同方向传播时声学特性的变化。声波传播方向不同所激发声波模式不同,当声波沿(0001)方向传播时为Rayleigh波模式,实验上可获得基波及一阶模式声波；声波沿(1100)方向传播时为Love波模式。同时利用矩阵传递法计算(1120)ZnO薄膜/R-蓝宝石的多层结构SAW器件的声学特性,包括声波相速度以及机电耦合系数,实验结果与理论结果很吻合。3、基于(1120)ZnO压电薄膜SAW器件的理论分析本论文第六章用部分波理论,通过数值计算分析研究(1120)ZnO/SiO2和(1120)ZnO/Si双层结构SAW器件的相速度、机电耦合系数同压电薄膜厚度的关系以及声波传播方向对声学性质的影响。根据叉指电极在薄膜上、下位置的不同以及是否有短路金属薄膜的存在,而将SAW延迟线分成的四种结构。计算表明,当Euler角为(0°,90°,0°)时,在(1120)ZnO/SiO2和(1120)ZnO/Si结构中,叉指电极的四种结构所制备的SAW器件所激发声波均为水平剪切模式,且相速度v均随着ZnO压电薄膜厚度h的增大从衬底速度开始逐渐减小。(1120)ZnO/SiO2所激发水平剪切SAW机电耦合系数k2随着ZnO压电薄膜厚度的增加而开始增大并达到最大值,再继续增大薄膜厚度,机电耦合系数则减小。ZnO压电薄膜厚度约0.26λ时,在延迟线A(叉指电极位于ZnO压电薄膜上表面且无短路金属膜存在)中取得机电耦合系数的最大值k2max=0.0317(1120)ZnO/Si结构SAW延迟线有类似的变化,不同的是在ZnO压电薄膜厚度约0.25λ处取得机电耦合系数最大值k2max=0.045。最后讨论了Euler角(α,β,γ)中第三个角度参数γ(即声波传播方向与(1120)ZnO晶体c轴之间的夹角)不同时声波特性的变化。以γ=30°和γ=60°为例,分析(1120)ZnO/SiO2和(1120)ZnO/Si结构SAW器件机电耦合系数的变化。计算发现γ不同,SAW器件机电耦合系数有很大变化且与γ=0°相比,机电耦合系数均降低。文章的最后(第七章)是对全文的总结以及今后工作的展望。

全文目录

摘要  3-7
Abstract  7-17
第一章绪论  17-36
  1.1 半导体传感器  17-21
    1.1.1 半导体气体传感器  18-19
    1.1.2 半导体生物传感器  19
    1.1.3 半导体传感器的发展趋势  19-21
  1.2 声表面波和传感技术  21-26
    1.2.1 声表面波技术  21-22
    1.2.2 声表面波传感技术  22-23
    1.2.3 声表面波传感技术的发展概要  23-24
    1.2.4 声表面波传感器的分类和特点  24-26
  1.3 ZnO材料的研究进展  26-30
    1.3.1 ZnO基本性质  26-27
    1.3.2 ZnO材料的应用  27-28
    1.3.3 ZnO纳米材料的发展与应用  28-30
  1.4 论文主要研究内容  30-31
  参考文献  31-36
第二章 ZnO纳米棒气敏材料的制备  36-53
  2.1 研究背景  36
  2.2 射频磁控溅射系统和基本物性表征  36-39
    2.2.1 RF磁控溅射系统  36-37
    2.2.2 X射线衍射分析(XRD)  37
    2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)  37-38
    2.2.4 原子力显微镜(AFM)  38
    2.2.5 X射线光电子能谱(XPS)  38-39
    2.2.6 薄膜厚度测量  39
  2.3 ZnO纳米棒的制备  39-40
    2.3.1 晶种的制备方法  39-40
    2.3.2 ZnO纳米棒的生长  40
  2.4 结果与讨论  40-50
    2.4.1 ZnO纳米棒的结构与形貌分析  40-41
    2.4.2 ZnO纳米棒生长条件探索  41-48
      2.4.2.1 晶种制备方法的影响  41-43
      2.4.2.2 前驱液pH值的影响  43-45
      2.4.2.3 衬底的影响  45-47
      2.4.2.4 前驱物不同的影响  47
      2.4.2.5 杂质的影响  47-48
    2.4.3 ZnO纳米棒的生长机理  48-50
  2.5 本章小结  50-51
  参考文献  51-53
第三章 Love波氢气传感器的研制  53-71
  3.1 研究背景  53-54
  3.2 实验部分  54-58
    3.2.1 导波层(种子层)的制备  54
    3.2.2 ZnO纳米棒敏感层的制备  54-55
    3.2.3 Love波氢气传感器的制备  55
    3.2.4 Love波氢气传感器传感测试  55-58
      3.2.4.1 放大电路及性能  56-57
      3.2.4.2 气体传感测试系统  57-58
  3.3 实验结果  58-64
    3.3.1 ZnO薄膜层  58-61
      3.3.1.1 晶体结构分析  58-59
      3.3.1.2 表面形貌分析  59-60
      3.3.1.3 化学组分分析  60-61
    3.3.2 Love波氢气传感器  61-64
      3.3.2.1 频率响应  61-62
      3.3.2.2 氢气传感测试结果  62-64
  3.4 氢气传感结果讨论  64-65
  3.5 基于In_2O_3-ZnO复合敏感膜的声表面波氢气传感器  65-68
    3.5.1 声表面波传感器的制备  65-66
    3.5.2 实验结果与讨论  66-68
      3.5.2.1 敏感膜的形貌特性  66-67
      3.5.2.2 氢气传感特性  67-68
  3.6 本章小结  68
  参考文献  68-71
第四章 (1120)ZnO薄膜的制备研究  71-89
  4.1 研究背景  71-73
  4.2 ZnO薄膜的生长条件及优化  73-85
    4.2.1 靶材成分/杂质  73-77
      4.2.1.1 ZnO薄膜的p型掺杂  73-76
      4.2.1.2 ZnO薄膜的n型掺杂  76-77
    4.2.2 衬底温度  77-80
    4.2.3 溅射气体组分/O_2分压比  80-83
    4.2.4 衬底溅射位置  83-85
  4.3 本章小结  85-86
  参考文献  86-89
第五章 (1120)ZnO/R-蓝宝石结构声学器件的研制  89-100
  5.1 研究背景  89
  5.2 高次体波谐振器(HBAR)  89-92
    5.2.1 HBAR的研制  89-91
    5.2.2 HBAR的声学特性  91-92
  5.3 SAW延迟线  92-97
    5.3.1 SAW延迟线的设计  92-93
    5.3.2 SAW特性  93-97
  5.4 本章小结  97-98
  参考文献  98-100
第六章 (1120)ZnO薄膜双层结构SAW器件的理论分析  100-115
  6.1 研究背景  100
  6.2 基本原理  100-107
    6.2.1 坐标变换  100-102
    6.2.2 运动方程  102-103
    6.2.3 部分波理论  103-105
    6.2.4 边界条件  105-107
  6.3 计算结果  107-111
    6.3.1 相速度  108-109
    6.3.2 机电耦合系数  109-110
    6.3.3 声波特性随传播方向的变化  110-111
  6.4 本章小结  111-112
  参考文献  112-115
第七章总结与展望  115-117
博士学位期间完成的论文  117-118
致谢  118-119

ZnO薄膜材料及其相关声学器件研究

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