CN101820047B - 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法 - Google Patents

一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101820047B
CN101820047B CN 201010170458 CN201010170458A CN101820047B CN 101820047 B CN101820047 B CN 101820047B CN 201010170458 CN201010170458 CN 201010170458 CN 201010170458 A CN201010170458 A CN 201010170458A CN 101820047 B CN101820047 B CN 101820047B
Authority
CN
China
Prior art keywords
zno film
piezoelectric constant
content
film material
atmosphere
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN 201010170458
Other languages
English (en)
Other versions
CN101820047A (zh
Inventor
潘峰
罗景庭
曾飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN 201010170458 priority Critical patent/CN101820047B/zh
Publication of CN101820047A publication Critical patent/CN101820047A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101820047B publication Critical patent/CN101820047B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了属于新材料技术领域的一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法。制备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为：0≤Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O；对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理。当Fe含量为1.2at.％时，Fe掺杂的ZnO薄膜可以不进行热处理也能有较大的压电常数。通过合适的Fe含量掺杂或者在O2气氛下退火，可以提高ZnO薄膜材料的压电常数，得到比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级的压电常数。

Description

一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法。
背景技术
声表面波器件是一种重要的固体电子器件，具有体积小、重量轻，信号处理能力优异等优点，广泛应用于移动通讯，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，这就要求声表面波器件的插入损耗更低。声表面波器件中压电薄膜材料的压电常数是表征机械性能和电性能之间相互转换的重要参数，压电常数越大，机电转换效率越高，插入损耗越小。当前无论从国际和国内的形势来看都要求各种器件能够减少能耗，达到低碳环保的要求。如果声表面波器件中压电薄膜的压电常数d33能提高，这不仅能解决插入损耗的问题，还能降低器件的能耗，成为低碳环保器件。通过掺杂的方法可以获得较高的d33，但是不同元素不同含量掺杂获得d33大小相差很大，若能调控掺杂ZnO薄膜的d33就能调控声表面波器件性能。目前调研的结果还没有发现采用Fe掺杂和后续热处理的方法来提高ZnO薄膜材料的压电常数。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：制备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为：0＜Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O；当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量不为1.2at.％时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理，经上述步骤来提高ZnO薄膜材料的压电常数。
Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1.2at.％时，不用在O2气氛下进行热处理，也可以获得较高的压电常数，也可以对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理，但其压电常数与不进行热处理时提高不大。
所述热处理温度为500～600℃，时间为1～2小时。
采用不同Fe含量掺杂ZnO以及将所制备的薄膜在O2气氛下进行退火的方法来提高ZnO:Fe的d33。ZnO:Fe薄膜中Fe替代Zn的位置，通过调节Fe离子的尺寸，从而调控ZnO薄膜的d33。在施加外电场时，d33的大小取决于：和外电场不在一条直线上的Zn-O1键转向外电场方向的难易程度。若Fe以小尺寸的Fe3+的形式替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe3+-O1键比Zn-O1键更容易转向外电场方向，则相应的d33比未掺杂的ZnO薄膜提高一个数量级。而Fe以大尺寸的Fe2+的形式替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe2+-O1键比Zn-O1键更难以转向外电场方向，因而压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。
本发明的有益效果为：通过合适的Fe含量掺杂或者在O2气氛下退火，可以提高ZnO薄膜材料的压电常数，获得比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级的压电常数。
具体实施方式
可以采用物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶和电化学的方法制备不同Fe含量掺杂的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为：0＜Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O。
实施例：采用直流反应溅射的方式制备Fe掺杂的ZnO薄膜，其组成成分为：Fe为0～2.6at.％，Zn为47.4～50at.％，其余为O。
通过掺入合适的Fe含量来提高d33：未掺杂的ZnO薄膜其d33＝11.6pC/N。
Fe含量为1.2at.％，Zn为48.8at.％，其余为O的薄膜显示出优异的压电性能，d33＝127pC/N。当Fe含量为1.2at.％时，Fe被充分氧化成Fe3+，以小尺寸Fe3+的形式替代Zn2+的位置，小尺寸的Fe3+可以偏离其平衡位置发生振动，当施加外电场时Fe3+-O1键就比Zn-O1键更容易转向外电场方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级。
Fe含量为2.6at.％，Zn为47.4at.％，其余为O的薄膜压电性能较差，d33＝7pC/N。当Fe含量为2.6at.％时，Fe只能被氧化成Fe2+，以大尺寸Fe2+的形式替代Zn2+的位置，大尺寸的Fe2+被限制在其平衡位置，当施加外电场时Fe2+-O1键比Zn-O1键更难转向外电场方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。
通过后续热处理的方法来提高d33：
Fe含量为0，1.2at.％和2.6at.％的三种薄膜在O2气氛下500℃退火1小时后，d33分别变成12.1，128和120pC/N，其中Fe含量为2.6at.％的压电常数提高一个数量级。O2气氛下退火后，Fe2+被充分氧化成Fe3+，以小尺寸Fe3+的形式替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe3+-O1键比Zn-O1键更容易转向外电场方向，因而相应的压电常数也得到极大的提高。不掺Fe的ZnO薄膜退火后压电常数提高非常小，可以说明Fe掺杂在ZnO薄膜中作用显著。
Fe含量为0，1.2at.％和2.6at.％的三种薄膜在O2气氛下500℃退火1小时，然后再在H2气氛下500℃退火1小时后d33分别变成11.8，9和7pC/N。H2气氛下退火后，ZnO:Fe薄膜中Fe3+均被还原成Fe2+，以大尺寸Fe2+替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe2+-O1键比Zn-O1键更难转向外电场方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。
Fe含量为0，1.2at.％和2.6at.％的三种薄膜在O2气氛下500℃退火1小时，再在H2气氛下500℃退火1小时，然后又在O2气氛下500℃退火1小时后，d33分别变成12，120和110pC/N。三种薄膜最后在O2气氛下退火后，ZnO:Fe中Fe离子被充分氧化成Fe3+，因而后两种ZnO:Fe薄膜重新获得极大的d33。

Claims (4)

1.一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：制备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为：0＜Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O；当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量不为1.2at.％时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理，经上述步骤来提高ZnO薄膜材料的压电常数。
2.根据权利要求1所述的一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1.2at.％时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理。
3.根据权利要求1所述的一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：所述热处理温度为500～600℃，时间为1～2小时。
4.根据权利要求2所述的一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1.2at.％时，所述热处理温度为500～600℃，时间为1～2小时，当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量不为1.2at.％时，所述热处理温度为500～600℃，时间为1～2小时。
CN 201010170458 2010-05-06 2010-05-06 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法 Active CN101820047B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010170458 CN101820047B (zh) 2010-05-06 2010-05-06 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010170458 CN101820047B (zh) 2010-05-06 2010-05-06 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101820047A CN101820047A (zh) 2010-09-01
CN101820047B true CN101820047B (zh) 2011-08-17

Family

ID=42655058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201010170458 Active CN101820047B (zh) 2010-05-06 2010-05-06 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101820047B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102360710B (zh) * 2011-06-20 2013-03-20 清华大学 一种ZnO基稀磁薄膜及其制备方法
CN102386885A (zh) * 2011-06-20 2012-03-21 清华大学 一种具有大机电耦合系数和低插入损耗的声表面波滤波器及其专用压电薄膜
CN103199189B (zh) * 2012-01-09 2015-04-22 清华大学 一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜
DE102016200151B4 (de) * 2016-01-08 2021-02-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler, Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers und elektromechanischer Wandler

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4151324A (en) * 1977-03-16 1979-04-24 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric crystalline films and method of preparing the same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030186521A1 (en) * 2002-03-29 2003-10-02 Kub Francis J. Method of transferring thin film functional material to a semiconductor substrate or optimized substrate using a hydrogen ion splitting technique

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4151324A (en) * 1977-03-16 1979-04-24 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric crystalline films and method of preparing the same

Also Published As

Publication number Publication date
CN101820047A (zh) 2010-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. None-mother-powder method to prepare dense Li-garnet solid electrolytes with high critical current density
CN101820047B (zh) 一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法
Kalyani et al. Polymorphic phase boundaries and enhanced piezoelectric response in extended composition range in the lead free ferroelectric BaTi1− xZrxO3
Xu et al. Investigation of grain boundary diffusion and grain growth of lithium zinc ferrites with low activation energy
CN102180665A (zh) 一种钪酸铋—钛酸铅高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN105951053B (zh) 一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法及铌掺杂二氧化钛透明导电膜
Huang et al. Low‐Temperature Sintering of CuO‐Doped 0.94 (K0. 48Na0. 535) NbO3–0.06 LiNbO3 Lead‐Free Piezoelectric Ceramics
Fu et al. Structure and piezoelectric properties of lead-free (Na 0.52 K 0.44− x)(Nb 0.95− x Sb 0.05) O 3-x LiTaO 3 ceramics
CN112174663B (zh) 一种高性能压电陶瓷及其制备方法
CN103553605B (zh) 一种knn-bf无铅压电陶瓷及其制备方法
CN104193317A (zh) 抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法
JP2011238594A (ja) リチウムイオン二次電池正極材料およびその製造方法
Okumura et al. All-solid-state batteries with LiCoO2-type electrodes: realization of an impurity-free interface by utilizing a cosinterable Li3. 5Ge0. 5V0. 5O4 electrolyte
CN101118948A (zh) 具有大压电常数和高电阻率的V掺杂ZnO薄膜材料
CN101712549B (zh) 一种镍酸镧陶瓷靶的制备方法
Zhang et al. Preparation and ferroelectric properties of K0. 5Na0. 5NbO3 thin films derived from non-alcohol niobium salt sol-gel process
CN100521273C (zh) 具有大压电常数和高电阻率的ZnO薄膜
CN115275330A (zh) 一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用
CN110357629B (zh) 一种钨青铜与钙钛矿结构氧化物形成的固溶体及制备方法
CN104480441A (zh) 金属合金靶材制备含氢氧化锌铝透明导电薄膜的方法
CN104129987B (zh) 一种高温无铅纳米压电陶瓷及其制备方法
Yang et al. Structural and ferroelectric properties of textured KNN thick films prepared by sol-gel methods
Wu et al. Effect of CuO on the sintering temperature and properties of SrCO 3 and MnO 2-doped PMS-PZT piezoelectric ceramics for multilayer piezoelectric transformers
Huan et al. Theoretical prediction and experimental validation of enhancing the piezoelectric properties of (K, Na) NbO3 modified by Li, Ta, and Sb according to the linear combination rule
CN110698705A (zh) 一种基于铌钽酸钾/P(VDF-TrFE-CTFE)复合介电材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant