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氧化锌薄膜晶格结构、性质、应用
发布时间:2014-10-06 11:39 发布人:氧化锌 点击:
 
      氧化锌薄膜是一种具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料。氧化锌薄膜的制备方法多样,薄膜的性质取决于不同的掺杂组分,并与制备工艺紧密相关。简述了氧化锌薄膜的制备方法与基本性质与应用,分析了氧化锌薄膜研究、应用与开发现状,展望了产业化发展前景。
  氧化锌(氧化锌)薄膜是一种具有广泛用途的材料,其性能随掺杂组分和制备条件的不同而变化。长期以来,对氧化锌薄膜的研究主要集中在压电性、透明导电性、光电性、气敏性、压敏性等方面。人们用氧化锌薄膜做成了声表面波谐振器、压电器件、太阳电池透明电极和增透膜、液晶显示器透明电极、气敏湿敏传感器等,在诸多领域得到了很好的应用。近年来,随着薄膜制备技术的发展,氧化锌的P型掺杂和PN结制作,利用氧化锌制作紫外半导体激光器,氧化锌薄膜光泵浦紫外受激发射的研究成为新兴的前沿课题。本文对氧化锌薄膜的结构、基本性质、最新制备技术及开发应用研究进行了综述,并对该材料的发展趋势进行了探讨。
  氧化锌薄膜的晶格结构:
  优质的氧化锌薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒,每个晶粒都是生长良好的六角形纤锌矿结构。按照一般的晶体学模型,氧化锌晶体是由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成的,晶格常数a=0.325nm,c=0.521nm,配位数为4:4,每一个锌原子都位于4个相邻的氧原子所形成的四面体间隙中,但只占其中半数的氧四面体间隙,氧原子的排列情况与锌原子相同。单位晶格中含有两个分子,体积v=0.047615nm,。因而这种结构比较开放,间隙原子的形成焙比较低,半径较小的组成原子容易变成间隙原子,如氧化锌中Zn的浓度比较高。化学计量比的氧化锌为宽带隙半导体,禁带宽度约3.3eV,本征氧化锌薄膜的电阻率高于106 Ω·cm改变生长、掺杂或退火条件,可形成简并半导体,导电性能大幅度提高,电阻率可降低到10-4 Ω·cm数量级。
  氧化锌薄膜的墓本性质与应用:
  氧化锌薄膜在垂直于基片表面C轴取向一致的情况下,就能具有像氧化锌单晶那样的较好的各向异性压电性。作为一种压电材料,它以其所具有的较强的机电藕合系数,在超声换能器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关及微机械上有相当广泛的用途,是制备高频表面声波器件的首选材料。
  氧化锌薄膜具有电阻率随表面吸附气体种类和浓度变化的特点。一般,吸附还原性气体时其电导率升高,吸附氧化性气体时其电导率降低;当其接触还原性气体时,随着气体浓度的增大,电导率将升高,而当其接触氧化性气体时,则随着气体的浓度增大电导率会降低。经某些元素掺杂之后的氧化锌薄膜对有害性气体、可燃气体、有机燕气等具有很好的敏感性,可制成各种气敏传感器。
  氧化锌的压敏性质主要表现在非线性伏安特征上。氧化锌压敏材料受外加电压作用时,存在一个闹值电压,即压敏电压(VlmA)。当外加电压高于该值时即进入击穿区,此时电压的微小变化即会引起电流的迅速增大,变化幅度由非线性系数(a)来表征。氧化锌薄膜所具有的较低的压敏电压和较高的非线性系数,浪涌吸收能力强、性能稳定等突出特征,为氧化锌压敏材料在微型电路保护方面的应用开辟了广阔的市场前景。
  掺铝氧化锌(AZO)薄膜具有导电性好,透光率高,对紫外线吸收强,红外反射率高及对微波衰减率高等优点,是一种性能优异的透明导电薄膜,可用于平面显示器、太阳能电池、透明电板,以及需要阻挡紫外线、屏蔽热辐射和电磁波的地方。
  氧化锌和蓝光材料GaN同为六角纤锌矿结构,有相近的晶格常数和禁带宽度,同时,它的激子激活能高达60meV,理论上有可能实现室温下的紫外受激辐射。氧化锌薄膜在沉积过程中具有自组装性能,柱状晶的截面呈六边形,柱状晶垂直于衬底表面,当氧化锌薄膜在室温下产生光致激光发射时,柱状晶三对互相平行的侧面中相对应的晶面在光注入时起反射面的作用,光子在其间往复运动形成驻波而获得光放大,这一性质使氧化锌薄膜有可能实现紫外激光发射器件。