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ZnO超长微米线制备及其在压电应力传感器方面的应用

作　者: 孙开通
导　师: 胡礼中
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 上游生长模式 ZnO超长微米线压电应力传感器可分离
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

作为新一代宽禁带半导体,ZnO具有许多优异的性质,比如场发射特性、化学和热学稳定性、高透明性、生物适应性以及宽电导率范围等,从而使ZnO在纳米科技的诸多领域有重要应用。人们针对ZnO的半导体压电耦合效应进行了广泛的研究,并成功制备了纳米发电机、压电场效应晶体管、压电二极管等器件。作为ZnO压电电子学的重要组成部分,压电应力传感器因其稳定的结构和高敏感度备受关注。目前ZnO压电应力传感器研究的二个主要问题是,如何获得可控的高质量ZnO微纳结构和如何实现器件与衬底的有效分离。本论文针对这两个主要问题展开深入研究,并获得了可喜的研究成果。本文使用新颖的上游生长模式化学气相沉积方法制备出ZnO超长微米线。实验采用一个小石英管作为反应腔体,利用特殊的气流回流效应配合温度变化分别在上游端和下游端长成ZnO岛状薄膜和纳米四脚针状结构,其中ZnO岛状薄膜为ZnO微米线的催化层,用二次生长在上游端制备出ZnO超长微米线。SEM图显示ZnO微米线具有完美的晶体结构,实现了ZnO超长微米线的可控生长,为压电器件的制备打下坚实的基础。ZnO与金属的接触特性是ZnO压电器件研究的重要组成部分,直接关系到器件的性能和应用。本论文分别研究了三种材料与ZnO微米线的接触特性后发现：In/ZnO可以形成稳定性和重复性都较好的欧姆接触；Au/ZnO同样形成欧姆接触,但是稳定性很差;Silver paste/ZnO在同样制备条件下可以形成三种接触特性,通过退火和树脂隔离处理,改善了其Ⅰ-Ⅴ特性。最后,分别从工艺、接触特性和金属自身属性等方面考虑,最后选择银浆作为与ZnO微米线接触的电极材料。在高质量ZnO微米线和稳定电极接触的保证下,以聚四氟乙烯(PTFE)为衬底,环氧树脂为封装体,成功制备出了ZnO压电应力传感器,并利用热电子发射——扩散理论对器件的截止特性进行了有效的模拟。当对器件施加拉伸力时,Ⅰ-Ⅴ特性曲线产生向上弯曲和向下弯曲两种情况,我们利用压电电势理论对其进行了分析。对器件施加周期性拉伸力,器件显现出良好的敏感性、稳定性和可重复性,敏感度高达1010。利用一种非常简单的工艺将传感器件从衬底上分离出来,分离器件具有优秀的完整性、封闭性和自持性。分离后的传感器件可以用来检测外部应力,或用作机电开关,开关比高达12：1,此外,器件具备在光敏器件领域发展的潜力。ZnO分离压电应力传感器的成功制备为细胞生物学、生物流体力学以及MEMS等体系中的应力检测提供了有效的方法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
引言  10-12
1 绪论  12-27
  1.1 ZnO的基本性质  12-13
  1.2 ZnO纳米结构的典型形貌  13-15
    1.2.1 一维或者准一维ZnO纳米结构  14-15
    1.2.2 多维ZnO纳米结构  15
  1.3 一维ZnO纳米材料的特性及应用  15-25
    1.3.1 力学特性  15-16
    1.3.2 场发射特性  16-17
    1.3.3 光学特性  17-19
    1.3.4 传感特性  19-21
    1.3.5 压电特性  21-25
  1.4 本论文主要研究内容  25-27
2 ZnO超长微米线制备及表征  27-38
  2.1 ZnO纳米结构的制备方法综述  27-30
    2.1.1 气-固-液(VLS)生长方法  27-28
    2.1.2 气-固(VS)生长方法  28-29
    2.1.3 液相法  29
    2.1.4 模板法  29-30
  2.2 ZnO超长微米线的生长  30-33
    2.2.1 实验装置  31
    2.2.2 实验准备  31-32
    2.2.3 第一次生长——催化层生长  32
    2.2.4 第二次生长——ZnO超长微米线生长  32-33
  2.3 表征和分析  33-37
    2.3.1 形貌表征  33-35
    2.3.2 机理分析  35-37
  2.4 本章小结  37-38
3 ZnO接触特性研究  38-45
  3.1 引言  38
  3.2 金属/ZnO微米线接触研究  38-40
    3.2.1 样品制备  38-39
    3.2.2 Ⅰ-Ⅴ特性表征  39-40
  3.3 银浆与ZnO微米线接触研究  40-44
    3.3.1 样品制备  40
    3.3.2 Ⅰ-Ⅴ特性表征  40-41
    3.3.3 退火作用对接触特性影响  41-44
  3.4 本章小结  44-45
4 压力传感器制备与测试  45-53
  4.1 引言  45
  4.2 器件制备  45-46
    4.2.1 实验准备  45
    4.2.2 制备过程  45-46
  4.3 Ⅰ-Ⅴ测试与分析  46-48
    4.3.1 测试系统简介  46
    4.3.2 Ⅰ-Ⅴ测试与分析  46-48
  4.4 器件受力分析  48-52
    4.4.1 器件受力  48-49
    4.4.2 Ⅰ-Ⅴ特性受力弯曲  49-50
    4.4.3 肖特基势垒改变量  50-52
    4.4.4 器件敏感度  52
  4.5 本章小结  52-53
5 压电应力传感器的分离与应用  53-58
  5.1 引言  53
  5.2 传感器分离  53-55
    5.2.1 分离方法  53
    5.2.2 机理分析  53-55
  5.3 分离传感器件应用  55-56
  5.4 其他应用  56-57
    5.4.1 机电开关  56
    5.4.2 光敏器件  56-57
  5.5 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-65
附录A ZnO材料的基本物理性质参数表  65-66
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  66-67
致谢  67-69

ZnO超长微米线制备及其在压电应力传感器方面的应用

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