溶胶凝胶法制备ZnO薄膜及其压电性能研究

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由于ZnO材料独特的半导体特性,ZnO在光电、压电、传感器、生物电子方面已经吸引了众多的研究兴趣。室温下3.37eV禁带宽度和较高的激子束缚能(60meV)使ZnO被认为有可能取代GaN成为下一代的光电子材料。近年来,利用氧化锌优异的压电特性制造纳米发电机的研究已经在世界范围内成为新的研究热点。  本论文探讨了溶胶-凝胶法在Si基片上制备大面积ZnO薄膜的方法和制备条件对ZnO薄膜结构及其压电性能的影响。利用XRD,AFM(含压电模块),SEM对薄膜的结构,表面形貌,压电性能进行了表征。研究了预处理温度,退火温度,溶胶浓度,涂膜层数对薄膜结晶质量和压电性能的影响。  研究表明,利用溶胶凝胶法在Si衬底上制备的ZnO薄膜的最佳工艺条件是300℃的预处理温度,0.9mol/L的溶胶浓度,650℃的退火温度。压电力显微镜对纯净的Si基片,Si基片上沉积的ZnO薄膜的压电特性测试结果表明,纯净的Si基片是没有压电响应,而Si基片上沉积的ZnO薄膜则具有大的压电性质;随着退火温度的升高,压电系数也逐渐增大,在650℃的时候,压电系数达到最大(32pm/V);更远的增加退火温度会导致压电系数的减少。薄膜厚度对压电系数的关系呈现类似退火温度的变化。随着薄膜厚度的增大,压电系数逐渐增大,20层的时候压电系数达到最大(32pm/V)。更远的增加退火温度会导致压电系数的减少。  本论文最后提出了纳米发电机的构想,制备的工艺流程。在模拟人体行走的压力和频率下,纳米发电机能得到140mV的输出。  
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