ZnO薄膜结构与压电性能调控及其应用研究

ZnO 薄膜结构与压电性能调控及其应用研究

罗景庭¹ 潘 峰² 曾 飞² 范 平¹ 张东平¹ 郑壮豪¹ 梁广兴¹

(1.深圳大学物理科学与技术学院薄膜物理与应用研究所 深圳市传感器技术重点实验室;2.清华大学材料系先进材料教育部重点实验室 北京 100084)

　　摘要：压电材料是一类非常重要的功能材料，是制备电声换能器，水声换能器，超声换能器，压力传感器，压电传感器和振荡器，变压器声表面波器件和体声波器件的关键材料，被广泛应用于电子，信息，机械，能源，国防安全等军用和民用的各领域。目前应用最为广泛的压电材料是含铅的钙钛矿和钛铁矿型压电材料，这类压电材料最致命的缺点是含有大量的铅，铅有剧毒，在生产和使用过程，以及后续的回收处理过程都会对环境造成严重的污染，同时危害人类健康。随着人们的环保和健康意识不断加强，寻找无铅压电材料来替代含铅压电材料的应用变得越来越重要，制备性能优异的无铅压电材料成为世界各国争相研究的热点。

　　目前研究最多的无铅压电材料是钙钛矿结构，铋层状结构及钨青铜结构的三大类无铅压电材料，这些无铅压电材料的成分和结构相对复杂，制备优良性能的材料也相对困难，因此探索结构稳定，性能优良的新型无铅压电材料受到广泛关注。ZnO 压电材料安全无毒，结构简单，性质稳定，原料来源丰富，成本低廉，材料制备和器件制作工艺与目前广泛应用的半导体平面工艺相兼容。ZnO 的制备技术成熟，采用工业上广泛应用的磁控溅射法即可制备大面积高质量的ZnO 薄膜材料，因此被广泛应用于微电机械系统、传感器、驱动器等各类压电器件中。

　　早前，人们制备的ZnO 压电材料的压电常数d33 比较小，ZnO 块体的压电常数一般只有9pC/N 左右，即使具有良好择优取向的ZnO 薄膜的压电常数也只有12pC/N 左右，这比目前应用广泛的压电钙钛矿陶瓷材料小1～2 个数量级以上。压电器件的性能依赖于压电材料的压电性能，为了提高压电器件的性能，有不少研究工作通过改善 ZnO 薄膜的制备工艺来提高 ZnO 薄膜的压电性能，但效果并不明显。此前研究制备的最高压电常数d33 出现于ZnO 纳米带中，为26.7 pC/N。如果 ZnO 的压电常数能提高到与压电钙钛矿陶瓷材料相比拟，那么ZnO 基压电器件性能将进一步改善，同时 ZnO 作为一种环境友好型压电材料有望广泛应用于各类无铅压电的应用领域，从而显著拓宽其应用范围。课题组对ZnO 薄膜的压电性能进行了多年的探索和实验，发现通过在ZnO 薄膜中掺入适量的V，Cr，Mn，Fe 过渡金属对ZnO 薄膜的结构进行调控，其压电常数得到极大地提高，分别达到170，120，86，127 pC/N，这比普通ZnO 薄膜的压电常数提高了一个数量级，能够与上述三种无铅压电材料的压电性能相媲美。通过不同掺杂含量和后续退火处理等实验探索ZnO 薄膜结构调控提高 ZnO 薄膜压电常数的内在机理，发现以下规律：掺杂离子替代Zn2+的位置，当掺杂离子半径小于被替代的Zn2+半径，而且其价态比+2 价大时，掺杂就可以提高 ZnO 薄膜的压电性能，如V5+，Cr3+，Mn3+/Mn4+，Fe3+掺杂均能提高ZnO薄膜的压电性能。

　　这是一个普适性的规律，可以用来指导制备具有大压电常数的ZnO 薄膜。具有大压电常数的ZnO 薄膜非常适合制备高性能的ZnO基压电器件，同时可以将ZnO 薄膜作为一种新型的无铅压电材料应用，为探索无铅压电材料提供新思路和方法。课题组还将具有大压电常数的ZnO 薄膜制作成声表面波器件，实验采用V 掺杂 ZnO 薄膜作为压电层在金刚石上成功制备了中心频率高达4.2 GHz 的声表面波滤波器，发现 V 掺杂 ZnO 薄膜器件的插入损耗比纯 ZnO 薄膜器件的插入损耗降低 34%， 其机电耦合系数达2.9%，比纯 ZnO 薄膜器件提高了81.3%。利用Mn，Fe 元素掺杂改性的 ZnO 薄膜制备声表面波器件，其性能也都有较大地改善。声表面波器件性能的改善与ZnO 薄膜性能的提高密切相关，特别是 ZnO 薄膜压电性能的提高更起到举足轻重的作用。

　　ZnO 薄膜通过掺杂进行结构调控获得具有与目前一些无铅压电陶瓷材料相比拟的压电常数，ZnO 薄膜安全无毒，生物相容性好，可作为一种新型的无铅压电材料。