ZnO薄膜在传感器方面的应用

ZnO薄膜在传感器方面的研究与应用白桦林目录：ZnO的基本性质及能带结构ZnO的缺陷、掺杂、合金及能带工程ZnO薄膜的制备技术ZnO在传感器方面的的应用总结文献ZnO的基本性质ZnO热力学稳定相为钎锌矿结构，宽带隙3.37eV（常温），缺乏中心对称性，对可见光透明。纤锌矿常温具有较大激子束缚能60meV，本证载流子浓度<106cm-3,电子迁移率200cm2/(V.s),空穴迁移率5~50cm2/(V.s)WurtziteZnO:spontaneouspolarizationZnO的能带结构ZnO直接带隙宽禁带3.37eV由于六方纤锌矿结构对称性较低，ZnO能带较复杂。其价带导带的能隙有O-2p,Zn-4s态决定对ZnO能带的深入研究最早是Thomas，后来Shindo和Lambrecht等人作了进一步研究之后，人们对ZnO的能带结构做了更深入的探索，为ZnO能带工程打下良好基础。Zn-4sO-2pZnO的缺陷错位与晶界ZnO薄膜中存在原生层错和扩展位错、ZnO薄膜中退火诱生的层错及晶界本征点缺陷氧空位、锌空位（绿光）、氧间隙、锌间隙、反位缺陷其中.氧空位和锌间隙之类的“缺氧”环境对ZnO的P型掺杂是非常不利的。ZnO中的氢杂质氢在ZnO中作为施主，对P性掺杂不利ZnO的掺杂AZO、GZO、IZO最常见，为N型掺杂另外，掺B，掺N、P、As、Sb等V族元素，掺Mo等VI族元素，掺F等VII族元素以及La系元素的N型掺杂均有研究，我们可以从这里得到一些启发，掺杂一种或多种元素来提高薄膜性能。对于P型掺杂：掺IA族（Li、Na、K），IB族（Au、Ag、Cu），N、P、As、Sb等V族元素对ZnO中O的替换（掺杂），H辅助掺杂，施主受主共掺杂（Al-N,Ga-N,In-N）,以及双受主共掺杂。ZnO的合金及能带工程能带工程主要通过合金化来实现，对于ZnO有两种途径：ZnO与等价态的MO(M=Mg,Be,Cd)混溶实现ZnMO。ZnO与锌硫族化合物ZnX(X=S,Se)混溶实现ZnOX。三元合金一般有两种晶体结构相同或相似化合物混溶得到，若两种晶体化合物禁带类型一致，则可实现禁带近似线性调制，若不一致则分段近似。ZnO薄膜的制备技术ZnO-TCO薄膜的制备技术磁控溅射法脉冲激光沉积法（PLD）电子束蒸发法MOCVD喷雾热分解溶胶-凝胶法（Sol-gel）电化学沉积水热法化学浴沉积分子束外延（MBE）

关于成膜技术，PLD法与磁控溅射法是制得高质量的ZnO的较好方法但是设备复杂效率低，成本高，MOCVD成膜质量较好但成本也较高，喷雾热分解法、Sol-gel和电化学沉积法都可以实现低成本大面积成膜但是成膜质量一般工艺有待改进。ZnO在我们可能涉及领域（如显示领域）的应用发光材料宽禁带量子效应透明导电膜电极电极修饰增透膜保护膜蓝绿、蓝紫、紫外LED白光LED、OLED柔性OLED等发光器件OPB，复合OPBTFTLED、OLED等薄膜太阳能电池电致发光光致发光阳极阴极增加光吸收增加光出射ZnO透明导电膜的应用ZnO薄膜在传感器方面的应用

氧化锌是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带氧化物半导体材料，有优良的压电性、气敏

性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得，常被用来制作传感器的敏感元件。

ZnO薄膜传感器具有如下优点：响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好、原料低廉易得等。压电传感器

ZnO薄膜具有优良的压电特性，即在一定方向上受到外力作用时，其内部就会产生极化现象，同时在某两个相对的表面上产生符号相反的电荷，外力去掉后，又恢复到不带电状态。在制作各种ZnO传感器时，通常会把ZnO薄膜沉积在一层薄的硅梁上，以增加其压电效应。

利用ZnO压电薄膜为换能器制作的硅微压电薄膜传声器，较性能有了大幅提高，1000Hz基准频率的灵敏度达到-85dB，500Hz~10000Hz波段频率响应的平坦度在±3dB范围内。压电传感器

传感器越来越小型化、微型化，这些为其应用带来了许多方便。以IC制造技术为基础发展起来的微机械加工工艺可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出微型化而价格便宜的传感器。将ZnO压电薄膜技术与表面微机械加工技术结合起来，可以得到新型的微型氧化锌多功能器件。压电传感器图2压电薄膜传感器示意图

图2所示ZnO压电薄膜表面微机械传感器示意图。这种新结构的器件既充分发挥了表面微机械加工技术的优点,又可利用ZnO材料的多功能特性，与用体微机械技术制作的集成化ZnO器件相比,可大大简化其制作工艺和减小器件尺寸,为研制集成ZnO薄膜器件提供了一种有效的手段。气敏传感器

ZnO是一种典型的表面控制型气敏材料，通常其颗粒越小，比表面积越大，氧吸附量则越大，材料的气体灵敏度越高；ZnO薄膜气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。优点：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等气敏传感器图31000ppmCO气氛下ZnO:Al薄膜的灵敏度和温度关系曲线

ZnO敏感材料是N型半导体，当添加铂作催化剂时，对丙烷、丁烷、乙烷等烷烃气体有很高的灵敏度；而用钯作为催化剂时，对H2和CO有较高的灵敏度；这种原件有很高的的选择性。Al掺杂的ZnO薄膜气体传感器则能在400℃的温度下工作，对CO的灵敏度可达61.6%，其灵敏度曲线如图3所示。湿度传感器

湿度传感器，可以将湿度的变化转化为电讯号，易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿敏材料是指电阻值随环境湿度的增加而显著增大或降低的一些材料。纳米薄膜有大的比表面积，毛细微孔多，更易于吸收水蒸气，是制备湿度传感器的首选材料。利用ZnO薄膜制作的湿度传感器，由于ZnO薄膜是一种晶体间隙存有过剩Zn离子的n型半导体，通过添加杂质可以在宽广范围内控制电阻值。湿度传感器

右图为ZnO薄膜湿度传感器的结构示意图。它是在陶瓷、玻璃等绝缘基片上形成一对叉指的检测电极，再在叉指电极上部覆盖用作湿敏元件的ZnO薄膜。图4ZnO薄膜湿度传感器的结构湿度传感器

掺杂可以大大改善ZnO的湿敏特性。浙江大学的研究者用有机物（NaPSS）和ZnO纳米复合而成的薄膜制得了性能优良的湿敏传感器，其具有良好的线性度、很高的灵敏度、以及很小的湿滞回差（仅2%RH），而且响应、恢复时间均小于2s。其湿滞回线如右图所示。ZnO镀膜光纤传感器

光纤系统除了在数据通信领域中大量采用外，越来越广泛的被应用于各种信号的采集、传输与处理。以氧化锌（ZnO）作为压电层的镀膜光纤传感器也被越来越多的人所研究。ZnO镀膜光纤传感器

右图所示为ZnO镀膜光纤传感器的几何结构，其中的压电层为氧化锌镀膜层，当内电极层和外电极层之间的电压发生变化时，光纤内产生振荡声波，使得光纤的折射率改变，在有光信号通过时，其相位发生变化，其本质是一种声光谐振器。ZnO镀膜光纤传感器的几何结构总结

最近30多年来围绕着氧化锌薄膜的晶体结构、物化性能、成膜技