CN101118948A - 具有大压电常数和高电阻率的V掺杂ZnO薄膜材料 - Google Patents

具有大压电常数和高电阻率的V掺杂ZnO薄膜材料 Download PDF

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潘峰
杨玉超
曾飞
宋成
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Abstract

本发明公开了属于新材料领域的一种具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料。具有压电常数d33＝55－110pC/N和高的电阻率ρ＞1011Ω·cm的ZnO薄膜材料。本发明使用V掺杂对ZnO体系进行掺杂改性，由于掺杂后ZnO薄膜产生了铁电性，因而使得压电性能大幅度提高；此外c轴择优取向度提高，薄膜的点阵参数c变小，并且平均等效原子电荷数变大也都使得压电性比掺杂前有所提高。由于V4+或V5+离子的3d层具有很多空能态，能够俘获薄膜中的自由电子，获得结构简单、成本低廉。经过掺杂改性后的ZnO薄膜在常温下表现出大的压电常数和高的电阻率。

Description

具有大压电常数和高电阻率的V掺杂ZnO薄膜材料
技术领域
本发明属于新材料及制备技术领域，特别一种具有大压电常数和高电阻率V掺杂ZnO薄膜材料。
背景技术
声表面波器件是一种重要的固体电子器件，具有优异的信号处理能力，广泛应用在移动通讯，电视广播以及各类军用雷达、通信系统中，具有巨大的市场需求和广阔的发展前景。随着第三代移动通讯技术的发展，声表面波器件的使用频率不断提高，以高声速的金刚石薄膜与具有压电特性的ZnO薄膜结合发展出的新型声表面波器件成为人们研究的焦点之一，提高ZnO/Diamond结构声表面波器件的频率和降低器件的插入损耗成为业界的共同目标，而制备大的压电常数d33和高的电阻率的ZnO薄膜材料则是实现这一目标的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有大压电常数和高电阻率V掺杂ZnO薄膜材料。具有大压电常数d33＝55-110pC/N和高电阻率ρ＞1011Ω·cm的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述具有大压电常数和高电阻率特性的ZnO薄膜组成成分为：V为0.5～2.5at％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O。由于掺杂后ZnO薄膜产生了铁电性，因而使得压电性能大幅度提高；此外c轴择优取向度提高，薄膜的点阵参数c变小，并且平均等效原子电荷数变大也都使得压电性比掺杂前有所提高。由于V4+或V5+离子的3d层具有很多空能态，能够俘获薄膜中的自由电子，因此具有提高薄膜电阻率的效果。经过掺杂改性后的ZnO薄膜在常温下表现出大的压电常数和高的电阻率。
本发明的有益效果是使用V掺杂对ZnO体系进行掺杂改性，由于掺杂后ZnO薄膜产生了铁电性，因而使得压电性能大幅度提高；由于V4+或V5+离子的3d层具有很多空能态，能够俘获薄膜中的自由电子，获得结构简单、成本低廉。经过改性后的ZnO薄膜在常温下表现出大的压电常数和高的电阻率。
具体实施方式
本发明提供一种具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料。采用物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶和电化学的方法制备V掺杂ZnO薄膜，其组成成分为：V为0.5～2.5at％，Zn为47.5～49.5at％，其余为O。由于掺杂后ZnO薄膜产生了铁电性，因而使得压电性能大幅度提高；此外c轴择优取向度提高，薄膜的点阵参数变小，并且平均等效原子电荷数变大也都使得压电性比掺杂前有所提高。由于V4+或V5+离子的3d层具有很多空能态，能够俘获薄膜中的自由电子，因此具有提高薄膜电阻率的效果。本发明既可以是薄膜材料，也可以是体材料。下面列举实施例对本发明予以进一步说明。
实施例1
采用反应溅射的方式制备V掺杂ZnO薄膜，其组成控制在V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O时，经测量薄膜显示出优异的压电性能和高的电阻率。其中组成V为0.75at.％，Zn为49.25at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝55.6pC/N，电阻率ρ＞1012Ω·cm。
实施例2
采用反应溅射的方式制备V掺杂ZnO薄膜，其组成控制在V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O时，经测量薄膜显示出优异的压电性能和高的电阻率。其中组成V为1at.％，Zn为49at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝82.4pC/N，电阻率ρ＞1013Ω·cm。
实施例3
采用反应溅射的方式制备V掺杂ZnO薄膜，其组成控制在V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O时，经测量薄膜显示出优异的压电性能和高的电阻率。其中组成V为1.25at.％，Zn为48.75at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝109.6pC/N，电阻率ρ＞1011Ω·cm。
实施例4
采用反应溅射的方式制备V掺杂ZnO薄膜，其组成控制在V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O时，经测量薄膜显示出优异的压电性能和高的电阻率。其中组成V为1.5at.％，Zn为48.5at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝95.4pC/N，电阻率ρ＞1013Ω·cm。
实施例5
采用反应溅射的方式制备V掺杂ZnO薄膜，其组成控制在V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O时，经测量薄膜显示出优异的压电性能和高的电阻率。其中组成V为1.75at.％，Zn为48.25at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝82.2pC/N，电阻率ρ＞1011Ω·cm。

Claims (6)

1.一种具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成：V为0.5～2.5at.％，Zn为47.5～49.5at.％，其余为O。
2.根据权利要求1所述具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成为V 0.75at.％，Zn 49.25at.％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝55.6pC/N，电阻率ρ＞1012Ω·cm。
3.根据权利要求1所述具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成为V at％，Zn 49at％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝82.4pC/N，电阻率ρ＞1013Ω·cm。
4.根据权利要求1所述具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成为V 1.25at％，Zn 48.75at％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝109.6pC/N，电阻率ρ＞1011Ω·cm。
5.根据权利要求1所述具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成为V 1.5at％，Zn 48.5at％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝95.4pC/N，电阻率ρ＞1013Ω·cm。
6.根据权利要求1所述具有大的压电常数和高电阻率的ZnO薄膜材料，其特征在于：所述ZnO薄膜材料组成为V 1.75at％，Zn 48.25at％，其余为O的薄膜表面平整，平均表面粗糙度低于2nm；d33＝82.2pC/N，电阻率ρ＞1011Ω·cm。
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