氧化锌压电微纳器件的制造及性能研究

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氧化锌是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,室温下3.37eV禁带宽度和较高的激子束缚能(60meV)使ZnO被认为有可能取代GaN成为下一代的光电子材料。尤其是ZnO具有半导体和压电特性,可以高效地完成机械能到电能的转变。近年来,利用氧化锌优异的压电特性制造纳米发电机的研究已经在世界范围内成为新的研究热点。  本论文主要采用脉冲激光沉积方法制备ZnO薄膜,然后通过微纳加工工艺制备ZnO压电器件,主要研究结果如下:  (1)脉冲激光沉积制备ZnO薄膜,采用XRD、SEM、AFM结构及形貌表征手段研究脉冲激光沉积中基底温度对薄膜的c-轴取向性、结晶度与表面形貌的影响。XRD测试结果表明,基底的温度越高,薄膜的结晶度越高,随着衬底温度的增加,衍射峰半高宽度(FWHM)持续减少,预示晶粒尺寸的持续增加。  (2)利用光刻技术和物理、化学刻蚀技术相结合的微纳加工的方法,构建ZnO微米条以及ZnO压电器件。通过场发射扫描电子显微镜的测试,发现经过光刻-刻蚀-去胶,可以获得均匀、整齐的3至10微米构成的微米条阵列。  (3)根据压电力显微镜的测试原理,分别测试了Si(100)、ZnO薄膜、ZnO微米条的压电性。研究结果表明,随着激励电压的改变,Si(100)的压电响应没有发生变化,说明衬底Si是没有压电性的。ZnO薄膜具有压电响应。ZnO微米条的压电性随着尺寸的减少呈现上升的趋势,是因为尺寸效应引起晶胞体积的减少,表面电荷的重新分布,局部极性的改变。  (4)最后制造由纳微米线构成的微电源,探讨了ZnO压电器件的电压输出。在本论文工作中发展的ZnO压电器件能够产生140mV的电压输出。本论文发展起来的氧化锌纳微米电源在在微纳机电系统和微纳电子器件中有潜在的和广泛的应用前景。
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