ZnO微纳米结构的CVD法生长及其在压电应力传感器中的应用

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ZnO是一种具有纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体功能材料,室温下的禁带宽度达到3.37eV,激子束缚能高达60meV,成为制备下一代的短波长发光二极管以及激光器的最优候选材料之一。此外,它还具有许多其它的优良特性,包括良好的压电特性、高的化学和热学稳定性、高的透明性和生物适应性及宽的电导率范围等,且无毒性、廉价易得,因此在其它光电子器件和微电子器件方面也有着广阔的应用前景。特别是近年来,ZnO的半导体压电耦合效应引起了人们的关注,人们针对该效应进行了广泛的研究,从而成功制备了纳米发电机、压电二极管、压电场效应晶体管等器件,基于ZnO微纳米结构所制备的诸多压电器件显示了巨大的应用潜力。因此,利用ZnO的半导体压电耦合效应制备出更多功能新颖、性能优异、应用广泛的压电器件已经成为人们研究的热点。本论文在系统的总结了国内外关于ZnO材料的制备及器件工艺的研究历史以及现状的基础上,利用化学气相沉积(CVD)方法生长出多种ZnO微纳米结构并制备了ZnO压电应力传感器。主要研究内容如下:一、利用上游生长模式的化学气相沉积法生长出ZnO微米树状结构。本实验中的反应容器为一个两端开放的小石英管,由于气流的回流效应以及温度变化的作用,最终在上游端口处生长出大量ZnO微米树状结构,在下游端口处生长出少量ZnO四角针状结构,并用扫描电子显微镜(SEM)对它们的微观形貌进行了表征。图像显示树状结构中夹杂着少量更为微小的花状结构,为接下来的优化实验条件制备微米球状结构打下基础。二、通过改变实验条件,利用化学气相沉积法生长出ZnO微米线球结构和微米刺球结构。本实验中的反应容器为一个半封闭的小石英管,通过改变氧气供给量,在端口处生长出新颖的ZnO微米球状结构并采用扫描电子显微镜对它们的微观形貌进行了表征。图像显示微米刺球的结构规整,分布均匀,并且宏观上一定数量的微米刺球聚集在一起后,整体具有弹性,适合制备压电应力传感器件。三、使用所生长出的ZnO微米剌球结构制备出一种新型压电应力传感器件。通过半导体特性分析系统(Keithley4200)对器件的Ⅰ-Ⅴ特性以及压电应变特性进行了研究。经分析,该种器件对所施加的应力高度敏感,开关比高达约60,比目前多数ZnO基压电应力传感器件高出数倍,在应力检测和机电开关等领域有很好的应用前景。
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