CN103199189B - 一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜 - Google Patents
一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种共掺杂ZnO薄膜。所述ZnO薄膜由a类元素、b类元素和ZnO组成；所述a类元素为Mg和Ga中至少一种；所述b类元素为V、Cr、Fe和Mn中至少一种；所述a类元素的原子百分数为1％～3.4％，所述b类元素的原子百分数为1％～2％，Zn的原子百分数为44.6％～48％，余量为O。本发明提供的ZnO薄膜的压电系数提高到50pC/N以上，同时对可见光的透过率达到90％。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜，属于新材料和信息技术领域。
背景技术
压电材料广泛应用于声表面波器件、压力传感器、能量搜集等器件中。通过材料的压电特性，进行声电、力电转换，进行信息的传递、处理和能源的转换。为得到好的转换效果，一般希望压电材料的压电系数大。传统的具有高压电常数的材料以锆钛酸铅等含铅陶瓷材料为主。但这种材料难以制备成薄膜，且含有对人体有害的铅。当今，柔性电子学、生物传感器、生物能源等领域发展，对压电薄膜提出了更高的要求，急需无铅、高压电系数和透明的压电薄膜材料。
氧化锌和氮化铝薄膜是两种大家所熟知的压电材料，它们不含铅，单晶氧化锌和氮化铝是透明的材料。但氧化锌和氮化铝的压电系数低。已报导的纯氧化锌的压电系数最大达到～26pC/N，为氧化锌纳米棒(Nano Letters 10，3151-3155(2010))，氮化铝压电系数一般为2pC/N左右。国际上一些研究小组在致力于改进这两种材料的压电性。如专利号ZL200710118648.X的专利通过掺杂(钒、铁、铬、锰等)将氧化锌薄膜压电系数提高到170pC/N，为国际上所报导氧化锌压电系数的最高值；还有文献报道通过对氮化铝掺Sc，将氮化铝的压电系数提高到7.8pc/N(Applied Physics Letters 99，092903(2011))；以及对氮化铝掺铬，将氮化铝压电系数提高到7pC/N(JOURNAL OFPHYSICS D-APPLIED PHYSICS 42，235206(2009))。这些研究为寻找无铅压电薄膜提供了新的途径。然而，在这些研究中，氧化锌和氮化铝掺杂后，呈淡黄色，半透明状态；尽管提高了压电系数，难以在柔性电子器件、触摸屏等需要透明薄膜的领域得到应用。透明度发生变化的主要原因在于，氧化锌和氮化铝掺杂后，掺入杂质在氧化锌和氮化铝的禁带中间位置引入了杂质能级，杂质对可见光有吸收、折射的作用，影响了氧化锌和氮化铝的透明性。因此需要对杂质能级的位置、掺杂浓度进行调控，同时获得高压电系数、高可见光透明度的氧化锌或氮化铝薄膜材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜。
本发明提供的一种共掺杂ZnO薄膜，由a类元素、b类元素和ZnO组成；
所述a类元素为Mg和Ga中至少一种；
所述b类元素为V、Cr、Fe和Mn中至少一种。
上述的ZnO薄膜中，所述a类元素的原子百分数可为1％～3.4％，如2.1％，所述b类元素的原子百分数可为1％～2％，如1.6％、1.7％、1.4％或2％，Zn的原子百分数可为44.6％～48％，如45.9％、45.9％、46.3％或46.5％，余量为O。
上述的ZnO薄膜中，厚度可为300～350nm，如300nm。
本发明提供的ZnO薄膜，通过Ga、Mg等元素和V、Cr、Fe、Mn等元素共掺杂，由于掺杂过渡金属元素的离子半径比Zn离子半径小，有利于Zn-O键的旋转，且V、Cr、Fe、Mn等元素能使ZnO薄膜的c轴取向得到增强，从而使掺杂薄膜的压电性得到提高；同时，Ga、Mg等元素的掺入可以分别调节导带和价带的位置，增强可见光透过率；其中Ga可提高价带位置，减小价带与杂质能级间的差值，减少对可见光的散射；Mg可以调高导带的位置，增加禁带宽度；本发明提供的ZnO薄膜的压电系数提高到50pC/N以上，同时对可见光的透过率达到90％。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、Mg和V共掺杂ZnO薄膜的制备
采用MgZnO陶瓷靶和金属V靶进行磁控溅射反应共溅射在石英衬底上制备Mg和V共掺杂ZnO薄膜：其中，MgZnO陶瓷靶采用射频电源和射频靶溅射，功率为100W，V靶用直流电源和直流靶溅射，功率为7W，溅射气体为Ar∶O2＝60∶10(SCCM)，溅射总气压为0.8Pa，溅射时间为120分钟，得到薄膜的厚度为300nm，之后再在氧气气氛中于500℃下进行快速退火5min即得到Mg和V共掺杂ZnO薄膜，组成为：镁(Mg)为2.1at.％(原子百分数)，钒(V)为1.6at.％，锌(Zn)为46.3at.％，氧(O)为50at.％。
本实施例制备的ZnO薄膜在常温下压电常数d33为140pC/N，透过率为91％。
实施例2、Mg和Cr共掺杂ZnO薄膜的制备
采用MgZnO陶瓷靶和金属Cr靶进行磁控溅射反应共溅射在石英衬底上制备Mg和Cr共掺杂ZnO薄膜：其中，MgZnO陶瓷靶采用射频电源和射频靶溅射，功率为100W，Cr靶用直流电源和直流靶溅射，功率为8W，溅射气体为Ar∶O2＝60∶10(SCCM)，溅射总气压为0.8Pa，溅射时间为120分钟，得到薄膜的厚度为300nm，之后再在氧气气氛中于500℃下进行快速退火5min即得到Mg和Cr共掺杂ZnO薄膜，组成为：镁(Mg)为2.1at.％(原子百分数)，铬(Cr)为1.7at.％，锌(Zn)为46.2at.％，氧(O)为50at.％。
本实施例制备的ZnO薄膜在常温下压电常数d33为121pC/N，透过率为87％。
实施例3、Mg和Fe共掺杂ZnO薄膜的制备
采用MgZnO陶瓷靶和金属Fe靶进行磁控溅射反应共溅射在石英衬底上制备Mg和Fe共掺杂ZnO薄膜：其中，MgZnO陶瓷靶采用射频电源和射频靶溅射，功率为100W，Fe靶用直流电源和直流靶溅射，功率为6W，溅射气体为Ar∶O2＝60∶10(SCCM)，溅射总气压为0.8Pa，溅射时间为120分钟，得到薄膜的厚度为300nm，之后再在氧气气氛中于500℃下进行快速退火5min即得到Mg和Fe共掺杂ZnO薄膜，组成为：镁(Mg)为2.1at.％(原子百分数)，铁(Fe)为1.4at.％，锌(Zn)为46.5at.％，氧(O)为50at.％。
本实施例制备的ZnO薄膜在常温下压电常数d33为97pC/N，透过率为86％。
实施例4、Mg和Mn共掺杂ZnO薄膜的制备
采用MgZnO陶瓷靶和金属Mn靶进行磁控溅射反应共溅射在石英衬底上制备Mg和Mn共掺杂ZnO薄膜：其中，MgZnO陶瓷靶采用射频电源和射频靶溅射，功率为100W，Mn靶用直流电源和直流靶溅射，功率为8W，溅射气体为Ar∶O2＝60∶10(SCCM)，溅射总气压为0.8Pa，溅射时间为120分钟，得到薄膜的厚度为300nm，之后再在氧气气氛中于500℃下进行快速退火5min即得到Mg和Mn共掺杂ZnO薄膜，组成为：镁(Mg)为2.1at.％(原子百分数)，锰(Mn)为2at.％，锌(Zn)为45.9at.％，氧(O)为50at.％。
本实施例制备的ZnO薄膜在常温下压电常数d33为92pC/N，透过率为90％。
实施例5、Ga、Mg和V掺杂ZnO薄膜的制备
采用GaMgZnO陶瓷靶和金属V靶进行磁控溅射反应共溅射在石英衬底上制备Ga、Mg和V掺杂ZnO薄膜：其中，GaMgZnO陶瓷靶采用射频电源和射频靶溅射，功率为100W，V靶用直流电源和直流靶溅射，功率为7W，溅射气体为Ar∶O2＝60∶10(SCCM)，溅射总气压为0.8Pa，溅射时间为120分钟，得到薄膜的厚度为300nm，之后再在氧气气氛中于500℃下进行快速退火5min即得到Ga、Mg和V掺杂ZnO薄膜，组成为：镓(Ga)为1.1at.％，Mg为1at.％，V为1.6at.％，Zn为46.3at.％，氧(O)为50at.％。
本实施例制备的ZnO薄膜在常温下压电常数d33为152pC/N，透过率为94％。
Claims (2)
1.一种共掺杂ZnO薄膜，其特征在于：所述ZnO薄膜由a类元素、b类元素和ZnO组成；
所述a类元素为Mg和Ga中至少一种；
所述b类元素为V、Cr、Fe和Mn中至少一种；
所述a类元素中Ga的原子百分数为1％～2.1％，所述a类元素中Mg的原子百分数为1％～3.4％，所述b类元素的原子百分数为1％～2％，Zn的原子百分数为44.6％～48％，余量为O。
2.根据权利要求1所述的ZnO薄膜，其特征在于：所述ZnO薄膜的厚度为300nm～350nm。
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