CN102565135B - 一种基于氧化锌微米线的原位弯曲下力电性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料性能测试领域，涉及一种基于氧化锌微米线的原位弯曲下力电性能测试方法。其特征是将单根氧化锌微米线的一端用银胶固定在表面有绝缘膜的单晶硅基底上，另一端用探针拨动实现弯曲；在弯曲的同时，通过在探针和银胶间加扫描电压信号，实现对其电学性能的原位实时测量。本发明的优点在于：将环境平台与吉时利4200这两种仪器有机结合，实现了对单根氧化锌力电性能的检测，其操作简便，实时性强，而且应用范围广泛，便于多种一维结构微纳材料的力电性能检测。
Description
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，涉及一种基于氧化锌微米线的原位弯曲下力电性能测试方法，将环境平台与吉时利4200半导体测试系统这两种仪器相结合，实现了对氧化锌微米线在原位弯曲下的实时电性能测量。
背景技术
随着信息时代的到来，电子技术的趋势要求器件越来越小，功能越来越多，各国科学家都在为构筑微型器件而努力。其中，一维氧化锌由于兼具压电与半导体特性，已经激起了科学家极大的研究兴趣，基于一维氧化锌的力电器件层出不穷，如纳米发电机、压电场效应晶体管、传感器、力电开关等等。
一维氧化锌包括氧化锌纳米线/纳米带，微米线/微米带等等，其中氧化锌微米线是一种很有前景的MEMS器件的结构部件，而且由于尺寸较大，容易观察和操作，成为研究一维氧化锌性质的理想对象。氧化锌微米线在器件中工作的时候，不仅会承担起结构部件的任务，还扮演功能部件的角色，具有力电响应速度快，敏感性高和低能耗的优点。因此，针对这种双重角色，研究者进行了广泛的研究，提出了多种机理对不同的力电现象进行了解释。然而，这些研究还没有形成完整的理论，在这些器件的工作过程中，依然有许多新奇的力电现象出现，因此很有必要进行更深一步的研究，分析其中的作用机理，为以后基于一维氧化锌器件的广泛应用提供充足的理论基础。
近几年，随着科学技术的发展，对于一维氧化锌的力电性能的研究的手段也得到了改进。目前，主要有以下两种方法：
第一，在扫描电子显微镜（SEM）中对一维氧化锌进行的力电性能测试。2006年《Nano letters》 vol.6（12）：2768-2772的文章《Piezoelectric field effect transistor and nanoforce sensor based on a single ZnO nanowire》开创了对于一维氧化锌的力电性能测试的先河，实验者将单根氧化锌纳米线固定在SEM中，利用样品台对纳米线施加外力使之弯曲，得到五个典型的弯曲曲率以及对应的I-V曲线，发现随着应变的增加，电导一直在减小，研究者提出这种现象产生的内在机制是弹性弯曲导致的载流子陷阱效应和电荷耗尽层的形成；2010年《Solid State Sciences》vol.13:658-661的文章 《Influence of electromechanical coupling and electron irradiation on the conductivity of individual ZnO nanowire》中报道了在SEM中利用纳米操控系统，对直径100nm的氧化锌线进行了力电性能测试，将单根氧化锌线两端分别连接到两个钨针尖上，形成一种典型的金属-半导体-金属接触，然后利用钨针尖的移动，测试氧化锌线在弯曲下的力电性能。结果表明，氧化锌线的电导随着钨针尖施加力的增加而呈现减小的趋势，这是因为弯曲导致该区域表面电荷的变化，从而影响到ZnO 和钨针尖之间的肖特基势垒，使得接触区的电子迁移率下降，导致了开启电压的显著改变。
第二，在原子力显微镜（AFM）中对一维氧化锌进行的力电性能测试。2010年《Physcal Chemistry. Chemical. Physics》 vol.12: 14868-14872的文章《Tuning of electronic transport characteristics of ZnO micro/nanowire piezotronic Schottky diodes by bending: threshold voltage shift》中对一维氧化锌的纵向力电性能进行了表征，首先用导电银胶将一维氧化锌垂直于基底固定好，然后放入AFM中，利用表面涂有Pr/Ir的悬臂梁对氧化锌线施加外力，利用AFM中悬臂梁的变形程度可以计算出施加力的大小。结果发现氧化锌线的阈值电压在弯曲后从1V调制为8V，理论分析表明这与弯曲导致的肖特基势垒高度变化密切相关。
以上两种方法虽然在对一维氧化锌的力电性能测试领域发挥了重要的作用，但是均存在一定的弱点和局限性。基于SEM的测试方法存在测试准备工作时间长，抽真空导致效率低下，而且利用纳米操控对氧化锌线进行固定需要较高的技术，不利于对氧化锌线力电性能的快速测试；基于AFM的测试方法在对于样品的准确定位方面耗费时间长，且仪器操作复杂，不适合初学者进行测试。
发明内容
本发明目的在于利用环境平台与吉时利4200仪器的结合，摒弃抽真空和精确定位的烦琐操作，更为简单快速的对一维氧化锌力电性能进行表征。
一种基于氧化锌微米线的力电性能测试方法，其特征在于具体步骤为：首先利用化学气相沉积法制备氧化锌微米线，将管式炉温度设置为980°C，向炉中通入气体（流量比Ar：O2=50sccm：1sccm），在氧化铝舟中按照摩尔比为1:1的ZnO粉和C粉充分混匀，将溅射有20nm金膜（催化剂）的硅片倒置于氧化铝舟中，放入炉管中部，反应20分钟后，就可以在硅片上生长出高质量氧化锌微米线；然后在显微镜下挑出单根，利用导电银胶将单根氧化锌线的一端固定在表面有绝缘膜的单晶硅片上，同时引出一根铜导线，而另一端保持自由状态；最后，将此单晶硅片固定在环境平台上，将固定端的铜导线连接到吉时利4200半导体测试系统上，利用环境平台上的探针接触到氧化锌线的自由端，用另一根铜导线将探针和吉时利4200相连，就这样连成了一个电流回路。通过探针的移动，实现对单根氧化锌微米线的弯曲，而在吉时利4200中施加扫描电压，就能实时监测氧化锌微米线在各种弯曲程度下的电学特性。
将环境平台与吉时利4200半导体测试系统有机结合，就解决了上述两种方法中所存在的问题。该方法摒弃了抽真空和精确定位的烦琐操作，在大气环境中，光学显微镜下，就能轻松实现对一维氧化锌力电性能的实时测量，而且利用光学显微镜自带的照相机，能够对任意弯曲程度下的一维氧化锌拍照，便于确定其弯曲程度，操作简便，有望成为下一阶段一维氧化锌线力电性能测试的主流方法。
本发明的优点在于：
1由于环境平台和吉时利4200半导体测试系统均为实验室常用仪器，因此这种力电性能测试方法容易实现。
2这种测试方法操作简便，而且实时性强，能够在较短的时间内实现对多个样品的测试。
3 这种测试方法的应用范围广泛，很多种一维结构的微纳材料均可以用此种方法进行力电性能表征。
附图说明
图1 用化学气相沉积法制备的一维氧化锌的SEM形貌图，插图为高放大倍数下的形貌图。
图2利用环境平台与吉时利4200对一维氧化锌力电性能测试的示意图。
图3 一维氧化锌在持续弯曲过程中的I-V特性变化。
图4电阻与弯曲程度的对应关系
具体实施方式
下面结合具体例子对本发明的技术方案进行说明：
1 利用化学气相沉积法制备氧化锌微米线，将管式炉温度设置为980°C，向炉中通入气体（流量比Ar：O2=50sccm：1sccm），在氧化铝舟中按照摩尔比为1:1的ZnO粉和C粉充分混匀，将溅射有20nm金膜（催化剂）的硅片倒置于氧化铝舟中，放入炉管中部，反应20分钟后，就可以在硅片上生长出高质量氧化锌微米线，如图1所示。
2 如图2所示，在显微镜下挑出单根后，利用导电银胶将单根氧化锌线的一端固定在表面有绝缘膜的单晶硅片上，同时引出一根铜导线，而另一端保持自由状态。
3 将载有一维氧化锌的单晶硅片固定在环境平台上，将固定端的铜导线连接到吉时利4200半导体测试系统上，用另一根铜导线将环境平台的探针与吉时利4200相连，使探针移动至接触到氧化锌线的自由端后，，就形成了一个电流回路。通过探针的的移动，就实现了对单根氧化锌微米线的弯曲，如图3所示。在吉时利4200中施加扫描电压，实时监测氧化锌微米线在各种弯曲程度下的电学特性，结果如图4所示。
Claims (2)
1. 一种基于氧化锌微米线的力电性能测试方法，其特征在于首先利用化学气相沉积法制备氧化锌微米线，将管式炉温度设置为980°C，向炉中通入气体，流量比Ar：O2=50sccm：1sccm，在氧化铝舟中按照摩尔比为1:1的ZnO粉和C粉充分混匀，将溅射有20nm金膜的硅片倒置于氧化铝舟中，放入炉管中部，反应20分钟后，就可以在硅片上生长出高质量氧化锌微米线；然后在显微镜下挑出单根，利用导电银胶将单根氧化锌线的一端固定在表面有绝缘膜的单晶硅片上，同时引出一根铜导线，而另一端保持自由状态；最后，将此单晶硅片固定在环境平台上，将固定端的铜导线连接到吉时利4200半导体测试系统上，利用环境平台上的探针接触到氧化锌线的自由端，用另一根铜导线将探针和吉时利4200相连，就这样连成了一个电流回路；通过探针的移动，实现对单根氧化锌微米线的弯曲，而在吉时利4200中施加扫描电压，就能实时监测氧化锌微米线在各种弯曲程度下的电学特性；对氧化锌微米线的电学性能测量是利用基于铜导线互联的吉时利 4200半导体测试系统。
2.按权利要求1所述的一种基于氧化锌微米线的力电性能测试方法，其特征在于：对氧化锌微米线的弯曲是利用环境平台上装配的钨针尖。
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