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本文采用传统烧结法制备了氧化锌基陶瓷溅射靶材,采用射频磁控溅射技术在Si(111)衬底上生长了氧化锌基陶瓷薄膜,开展了陶瓷薄膜的激光冲击处理实验研究。
首先研究了成型压力和烧结温度对溅射靶材致密度的影响。研究结果表明,随着成型压力的增加,溅射靶材的致密度不断增大,在成型压力为70MPa下制备的溅射靶材致密度大,且形状规则、无缺陷；随着烧结温度的升高,溅射靶材的致密度先增大后减小,在950℃达到最大值98.76％。
其次研究了溅射功率对薄膜多组分沉积的影响,退火温度对薄膜电性能、表面形貌和微观结构的影响。研究结果表明,随着溅射功率的增加,薄膜的沉积速率不断增大,当溅射功率达到150W时,靶材中的所有元素全部沉积；粒径先减小后增大,溅射功率为200W时,粒径都在100nm以内。溅射态薄膜为非晶膜,具有非线性特征。随着退火温度的升高,薄膜的压敏电压逐渐增大,非线性系数先增大后减小,漏电流密度先减小后增大。850℃退火处理后的薄膜具有较为理想的综合电性能,其非线性系数为14.93,压敏电压为4.82V,漏电流密度为0.36μA／mm2。随着退火温度的升高,薄膜的C轴取向增强,(002)衍射峰的半高宽减小,晶粒增大；薄膜(002)衍射面的晶面间距和内应力都是先减小后增大,在850℃时达到最小值。薄膜在850℃退火处理后,结构出现三相,即ZnO主晶相、Bi2O3相以及Zn2.33Sb0.67O4尖晶石相,各晶相发育良好,这为薄膜具有良好的电性能奠定了重要基础。随着退火温度的升高,薄膜中Bi的相对含量在减少,尤其在900℃退火后,薄膜中的Bi含量迅速减少,远低于制备靶材时原料的添加比例,是非线性系数陡然降低和漏电流密度骤然上升的根本因为。
最后研究了激光冲击处理对薄膜电性能、表面形貌和粗糙度的影响。研究结果表明,激光冲击处理后,晶粒尺寸显著减小,粗糙度显著降低,表面更加平整致密。激光冲击处理使晶格发生严重畸变,大半径离子在ZnO晶粒内固溶量的增加,使薄膜样品势垒高度(ΦB)、施主浓度(ND)及界面态密度(Ns)增加,势垒宽度(ω)降低,因而薄膜的电性能得到了不同程度地改善,其中:压敏电压和漏电流密度都有不同程度地降低,降低幅度最大分别为39.42％和75％；非线性系数有不同程度地提高,提高幅度最大为43.2％。成功地制备出了低压压敏性能良好的氧化锌基陶瓷薄膜,非线性系数为21.38,压敏电压为2.92V,漏电流密度为0.09μA／mm2。