[发明专利]一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种提高ZnO薄膜材料的压电常数的方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高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。

Fe掺杂的ZnO薄膜中Fe含量为1.2at.％时，不用在O₂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O₂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℃，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O₂气氛下进行退火的方法来提高ZnO:Fe的d₃₃。ZnO: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-O1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⁺-O1键比Zn-O1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⁺-O1键比Zn-O1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。

本发明的有益效果为：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，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O。

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O。

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O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⁺-O1键就比Zn-O1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。