一种提高ＺｎＯ薄膜材料的压电常数的方法技术

本发明专利技术公开了属于新材料技术领域的一种提高ＺｎＯ薄膜材料的压电常数的方法。制备掺入不同Ｆｅ含量的ＺｎＯ薄膜，Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜组成成分及各成分原子百分比为：０≤Ｆｅ≤２．６ａｔ．％，４７．４ａｔ．％≤Ｚｎ≤５０ａｔ．％，其余为Ｏ；对Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜在Ｏ２气氛下进行热处理。当Ｆｅ含量为１．２ａｔ．％时，Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜可以不进行热处理也能有较大的压电常数。通过合适的Ｆｅ含量掺杂或者在Ｏ２气氛下退火，可以提高ＺｎＯ薄膜材料的压电常数，得到比未掺杂的ＺｎＯ薄膜大一个数量级的压电常数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新材料
，特别涉及。
技术介绍
声表面波器件是一种重要的固体电子器件，具有体积小、重量轻，信号处理能力优 异等优点，广泛应用于移动通讯，电视广播以及各类军用雷达、通信系统中，具有巨大的市 场需求和广阔的发展前景。随着第三代移动通讯技术的发展，声表面波器件的使用频率不 断提高，这就要求声表面波器件的插入损耗更低。声表面波器件中压电薄膜材料的压电常 数是表征机械性能和电性能之间相互转换的重要参数，压电常数越大，机电转换效率越高， 插入损耗越小。当前无论从国际和国内的形势来看都要求各种器件能够减少能耗，达到低 碳环保的要求。如果声表面波器件中压电薄膜的压电常数d33能提高，这不仅能解决插入损 耗的问题，还能降低器件的能耗，成为低碳环保器件。通过掺杂的方法可以获得较高的d33， 但是不同元素不同含量掺杂获得d33大小相差很大，若能调控掺杂ZnO薄膜的d33就能调控 声表面波器件性能。目前调研的结果还没有发现采用Fe掺杂和后续热处理的方法来提高 ZnO薄膜材料的压电常数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，其特征在于制 备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为0 <Fe彡2. 6at. %,47. 4at. Zn ^ 50at. %，其余为0 ；当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量 不为1.2at. %时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在02气氛下进行热处理，经上述步骤来提高ZnO薄 膜材料的压电常数。Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1. 2at. %时，不用在02气氛下进行热处理，也可 以获得较高的压电常数，也可以对Fe掺杂的ZnO薄膜在02气氛下进行热处理，但其压电常 数与不进行热处理时提高不大。所述热处理温度为500 600°C，时间为1 2小时。采用不同Fe含量掺杂ZnO以及将所制备的薄膜在02气氛下进行退火的方法来提 高Zn0:Fe的d33。Zn0:Fe薄膜中Fe替代Zn的位置，通过调节Fe离子的尺寸，从而调控ZnO 薄膜的d33。在施加外电场时，d33的大小取决于和外电场不在一条直线上的Zn-01键转向 外电场方向的难易程度。若Fe以小尺寸的Fe3+的形式替代Zn2+的位置，当施加外电场时 Fe3+-01键比Zn-01键更容易转向外电场方向，则相应的d33比未掺杂的ZnO薄膜提高一个数 量级。而Fe以大尺寸的Fe2+的形式替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe2+_01键比Zn_01 键更难以转向外电场方向，因而压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。本专利技术的有益效果为通过合适的Fe含量掺杂或者在02气氛下退火，可以提高 ZnO薄膜材料的压电常数，获得比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级的压电常数。具体实施例方式可以采用物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶_凝胶和电化学的方法制备不 同Fe含量掺杂的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为0 < Fe ≤ 2. 6at. %,47. 4at. Zn ^ 50at. %，其余为 0。实施例采用直流反应溅射的方式制备Fe掺杂的ZnO薄膜，其组成成分为Fe为 0 2. 6at. %，Zn 为 47. 4 50at. %，其余为 0。通过掺入合适的Fe含量来提高d33 未掺杂的ZnO薄膜其d33 = 11. 6pC/N。Fe含量为1.2at. %, Zn为48. 8at. %，其余为0的薄膜显示出优异的压电性能， d33 = 127pC/N。当Fe含量为1. 2at. %时，Fe被充分氧化成Fe3+，以小尺寸Fe3+的形式替代 Zn2+的位置，小尺寸的Fe3+可以偏离其平衡位置发生振动，当施加外电场时Fe3+-01键就比 Zn-01键更容易转向外电场方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级。Fe含量为2. 6at. %，Zn为47. 4at. %，其余为0的薄膜压电性能较差，d33 = 7pC/ N。当Fe含量为2. 6at. %时，Fe只能被氧化成Fe2+，以大尺寸Fe2+的形式替代Zn2+的位置， 大尺寸的Fe2+被限制在其平衡位置，当施加外电场时Fe2+-01键比Zn_01键更难转向外电场 方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。通过后续热处理的方法来提高d33 Fe含量为0，1. 2at. %和2. 6at. %的三种薄膜在02气氛下500°C退火1小时后， d33分别变成12. 1，128和120pC/N，其中Fe含量为2. 6at. %的压电常数提高一个数量级。 02气氛下退火后，Fe2+被充分氧化成Fe3+，以小尺寸Fe3+的形式替代Zn2+的位置，当施加外 电场时Fe3+-01键比Zn-01键更容易转向外电场方向，因而相应的压电常数也得到极大的提 高。不掺Fe的ZnO薄膜退火后压电常数提高非常小，可以说明Fe掺杂在ZnO薄膜中作用 显者oFe含量为0，1.2at. %和2.6站.％的三种薄膜在02气氛下500°C退火1小时，然后 再在H2气氛下500°C退火1小时后d33分别变成11. 8，9和7pC/N。H2气氛下退火后，Zn0:Fe 薄膜中Fe3+均被还原成Fe2+，以大尺寸Fe2+替代Zn2+的位置，当施加外电场时Fe2+_01键比 Zn-01键更难转向外电场方向，因而相应的压电常数比未掺杂的ZnO薄膜还小。Fe含量为0，1. 2at. %和2. 6at. %的三种薄膜在02气氛下500°C退火1小时，再在 H2气氛下500°C退火1小时，然后又在02气氛下500°C退火1小时后，d33分别变成12，120 和110pC/N。三种薄膜最后在02气氛下退火后，Zn0:Fe中Fe离子被充分氧化成Fe3+，因而 后两种Zn0:Fe薄膜重新获得极大的d33。权利要求，其特征在于制备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为0＜Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O；当Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量不为1.2at.％时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理，经上述步骤来提高ZnO薄膜材料的压电常数。2.根据权利要求1所述的，其特征在于Fe 掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1. 2at. %时，对Fe掺杂的ZnO薄膜在02气氛下进行热处理。3.根据权利要求1或2所述的，其特征在于 所述热处理温度为500 600°C，时间为1 2小时。全文摘要本专利技术公开了属于新材料
的。制备掺入不同Fe含量的ZnO薄膜，Fe掺杂的ZnO薄膜组成成分及各成分原子百分比为0≤Fe≤2.6at.％，47.4at.％≤Zn≤50at.％，其余为O；对Fe掺杂的ZnO薄膜在O2气氛下进行热处理。当Fe含量为1.2at.％时，Fe掺杂的ZnO薄膜可以不进行热处理也能有较大的压电常数。通过合适的Fe含量掺杂或者在O2气氛下退火，可以提高ZnO薄膜材料的压电常数，得到比未掺杂的ZnO薄膜大一个数量级的压电常数。文档编号H01L41/22GK101820047SQ201010170458公开日2010年9月1日 申请日期2010年5月6日 优先权日2010年5月6日专利技术者曾飞, 潘峰, 罗景庭 申请人:清华本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高ＺｎＯ薄膜材料的压电常数的方法，其特征在于：制备掺入不同Ｆｅ含量的ＺｎＯ薄膜，Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜组成成分及各成分原子百分比为：０＜Ｆｅ≤２．６ａｔ．％，４７．４ａｔ．％≤Ｚｎ≤５０ａｔ．％，其余为Ｏ；当Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜中Ｆｅ含量不为１．２ａｔ．％时，对Ｆｅ掺杂的ＺｎＯ薄膜在Ｏ↓［２］气氛下进行热处理，经上述步骤来提高ＺｎＯ薄膜材料的压电常数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘峰，罗景庭，曾飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]