專利名稱：一種具有高可見光透過率和高壓電常數的共摻雜ZnO薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高可見光透過率和高壓電常數的共摻雜ZnO薄膜，屬于新材料和信息技術領域。
背景技術：
壓電材料廣泛應用于聲表面波器件、壓力傳感器、能量搜集等器件中。通過材料的壓電特性，進行聲電、力電轉換，進行信息的傳遞、處理和能源的轉換。為得到好的轉換效果，一般希望壓電材料的壓電系數大。傳統的具有高壓電常數的材料以鋯鈦酸鉛等含鉛陶瓷材料為主。但這種材料難以制備成薄膜，且含有對人體有害的鉛。當今，柔性電子學、生物傳感器、生物能源等領域發展，對壓電薄膜提出了更高的要求，急需無鉛、高壓電系數和透明的壓電薄膜材料。氧化鋅和氮化鋁薄膜是兩種大家所熟知的壓電材料，它們不含鉛，單晶氧化鋅和氮化鋁是透明的材料。但氧化鋅和氮化鋁的壓電系數低。已報導的純氧化鋅的壓電系數最大達到 26pC/N，為氧化鋅納米棒(Nano Letters 10，3151-3155 (2010))，氮化鋁壓電系數一般為2pC/N左右。國際上一些研究小組在致力于改進這兩種材料的壓電性。如專利號ZL200710118648.X的專利通過摻雜(釩、鐵、鉻、錳等)將氧化鋅薄膜壓電系數提高到170pC/N，為國際上所報導氧化鋅壓電系數的最高值；還有文獻報道通過對氮化鋁摻Sc，將氮化鋁的壓電系數提高到7.8pc/N(Applied Physics Letters 99,092903(2011));以及對氮化鋁摻鉻，將氮化鋁壓電系數提高到7pC/N(JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS42,235206(2009))。這些研究為尋找無鉛壓電薄膜提供了新的途徑。然而，在這些研究中，氧化鋅和氮化鋁摻雜后，呈淡黃色，半透明狀態；盡管提高了壓電系數，難以在柔性電子器件、觸摸屏等需要透明薄膜的領域得到應用。透明度發生變化的主要原因在于，氧化鋅和氮化鋁摻雜后，摻入雜質在氧化鋅和氮化鋁的禁帶中間位置引入了雜質能級，雜質對可見光有吸收、折射的作用，影響了氧化鋅和氮化鋁的透明性。因此需要對雜質能級的位置、摻雜濃度進行調控，同時獲得高壓電系數、高可見光透明度的氧化鋅或氮化鋁薄膜材料。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有高可見光透過率和高壓電常數的共摻雜ZnO薄膜。本發明提供的一種共摻雜ZnO薄膜，由a類元素、b類元素和ZnO組成；所述a類元素為Mg和Ga中至少一種；所述b類元素為V、Cr、Fe和Mn中至少一種。上述的ZnO薄膜中，所述a類元素的原子百分數可為I % 3.4%，如2.1%，所述b類元素的原子百分數可為1% 2%,如1.6%、1.7%、1.4%或2%,Zn的原子百分數可為44.6%~ 48%，如 45.9%,45.9%,46.3%或 46.5%，余量為 O。上述的ZnO薄膜中，厚度可為300 350nm,如300nm。本發明提供的ZnO薄膜，通過Ga、Mg等元素和V、Cr、Fe、Mn等元素共摻雜，由于摻雜過渡金屬元素的離子半徑比Zn離子半徑小，有利于Zn-O鍵的旋轉，且V、Cr、Fe、Mn等元素能使ZnO薄膜的c軸取向得到增強，從而使摻雜薄膜的壓電性得到提高；同時，Ga、Mg等元素的摻入可以分別調節導帶和價帶的位置，增強可見光透過率；其中Ga可提高價帶位置，減小價帶與雜質能級間的差值，減少對可見光的散射；Mg可以調高導帶的位置，增加禁帶寬度；本發明提供的ZnO薄膜的壓電系數提高到50pC/N以上，同時對可見光的透過率達到 90%。
具體實施例方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。實施例1、Mg和V共摻雜ZnO薄膜的制備采用MgZnO陶瓷靶和金屬V靶進行磁控濺射反應共濺射在石英襯底上制備Mg和V共摻雜ZnO薄膜:其中，MgZnO陶瓷靶采用射頻電源和射頻靶濺射，功率為100W，V靶用直流電源和直流靶濺射，功率為7W，濺射氣體為Ar: O2 = 60: 10 (SCCM)，濺射總氣壓為0.8Pa，濺射時間為120分鐘，得到薄膜的厚度為300nm，之后再在氧氣氣氛中于500°C下進行快速退火5min即得到Mg和V共摻雜ZnO薄膜，組成為:鎂(Mg)為2.1at.% (原子百分數)，釩(V)為 1.6at.%，鋅(Zn)為 46.3at.%，氧(O)為 50at.%。本實施例制備的ZnO薄膜在常溫下壓電常數d33為140pC/N，透過率為91%。實施例2、Mg和Cr共摻雜ZnO薄膜的制備采用MgZnO陶瓷靶和金屬Cr靶進行磁控濺射反應共濺射在石英襯底上制備Mg和Cr共摻雜ZnO薄膜:其中，MgZnO陶瓷靶采用射頻電源和射頻靶濺射，功率為100W，Cr靶用直流電源和直流靶濺射，功率為8W，濺射氣體為Ar: O2 = 60: 10 (SCCM)，濺射總氣壓為0.8Pa，濺射時間為120分鐘，得到薄膜的厚度為300nm，之后再在氧氣氣氛中于500°C下進行快速退火5min即得到Mg和Cr共摻雜ZnO薄膜，組成為:鎂(Mg)為2.1at.% (原子百分數)，鉻(Cr)為 1.7at.%，鋅(Zn)為 46.2at.%，氧(O)為 50at.%。本實施例制備的ZnO薄膜在常溫下壓電常數d33為121pC/N，透過率為87%。實施例3、Mg和Fe共摻雜ZnO薄膜的制備采用MgZnO陶瓷靶和金屬Fe靶進行磁控濺射反應共濺射在石英襯底上制備Mg和Fe共摻雜ZnO薄膜:其中，MgZnO陶瓷靶采用射頻電源和射頻靶濺射，功率為100W，Fe靶用直流電源和直流靶濺射，功率為6W，濺射氣體為Ar: O2 = 60: 10 (SCCM)，濺射總氣壓為0.8Pa，濺射時間為120分鐘，得到薄膜的厚度為300nm，之后再在氧氣氣氛中于500°C下進行快速退火5min即得到Mg和Fe共摻雜ZnO薄膜，組成為:鎂(Mg)為2.1at.% (原子百分數)，鐵(Fe)為 1.4at.%，鋅(Zn)為 46.5at.%，氧(O)為 50at.%。本實施例制備的ZnO薄膜在常溫下壓電常數d33為97pC/N，透過率為86%。實施例4、Mg和Mn共摻雜ZnO薄膜的制備采用MgZnO陶瓷靶和金屬Mn靶進行磁控濺射反應共濺射在石英襯底上制備Mg和Mn共摻雜ZnO薄膜:其中，MgZnO陶瓷靶采用射頻電源和射頻靶濺射，功率為100W，Mn靶用直流電源和直流靶濺射，功率為8W，濺射氣體為Ar: O2 = 60: 10 (SCCM)，濺射總氣壓為
0.8Pa，濺射時間為120分鐘，得到薄膜的厚度為300nm，之后再在氧氣氣氛中于500°C下進行快速退火5min即得到Mg和Mn共摻雜ZnO薄膜，組成為:鎂(Mg)為2.1at.% (原子百分數)，錳(Mn)為 2at.%，鋅(Zn)為 45.9at.%，氧(O)為 50at.%。本實施例制備的ZnO薄膜在常溫下壓電常數d33為92pC/N，透過率為90%。實施例5、Ga、Mg和V摻雜ZnO薄膜的制備采用GaMgZnO陶瓷靶和金屬V靶進行磁控濺射反應共濺射在石英襯底上制備Ga、Mg和V摻雜ZnO薄膜:其中，GaMgZnO陶瓷靶采用射頻電源和射頻靶濺射，功率為100W，V靶用直流電源和直流靶濺射，功率為7W，濺射氣體為Ar: O2 = 60: 10 (SCCM)，濺射總氣壓為0.8Pa，濺射時間為120分鐘，得到薄膜的厚度為300nm，之后再在氧氣氣氛中于500°C下進行快速退火5min即得至IJ Ga、Mg和V摻雜ZnO薄膜，組成為:鎵(Ga)為1.1at.%，Mg為Iat.%, V 為 1.6at.%，Zn 為 46.3at.%，氧(O)為 50at.%。本實施例制備的ZnO薄膜在常溫下壓電常數d33為152pC/N，透過率為94%。
權利要求
1.一種共摻雜ZnO薄膜，其特征在于:所述ZnO薄膜由a類元素、b類元素和ZnO組成； 所述a類元素為Mg和Ga中至少一種； 所述b類元素為V、Cr、Fe和Mn中至少一種。
2.根據權利要求1所述的ZnO薄膜，其特征在于:所述a類元素的原子百分數為1% 3.4%,所述b類元素的原子百分數為1% 2%, Zn的原子百分數為44.6% 48%,余量為O。
3.根據權利要求1或2所述的ZnO薄膜，其特征在于:所述ZnO薄膜的厚度為300nm 350nmo
全文摘要
本發明公開了一種共摻雜ZnO薄膜。所述ZnO薄膜由a類元素、b類元素和ZnO組成；所述a類元素為Mg和Ga中至少一種；所述b類元素為V、Cr、Fe和Mn中至少一種；所述a類元素的原子百分數為1％～3.4％，所述b類元素的原子百分數為1％～2％，Zn的原子百分數為44.6％～48％，余量為O。本發明提供的ZnO薄膜的壓電系數提高到50pC/N以上，同時對可見光的透過率達到90％。
文檔編號H01L41/18GK103199189SQ20121000418
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者曾飛, 劉宏燕, 楊晶, 潘峰, 羅景庭 申請人:清華大學