ZnO压电薄膜的制备及其能量采集和传感特性的研究

发布时间：2020-04-01 00:07

【摘要】：氧化锌(ZnO)作为一种非常有应用潜力的半导体材料,随着它的诸多特性被开发出来,有可能改变人们未来的生活方式,为人类的可持续发展做出贡献。ZnO为一种N型半导体,它的禁带宽度较大,有着非常高的激子结合能。它具有压电特性,光学特性及超高的稳定性。特别值得关注的是ZnO作为压电材料中的一员,我们能够使用它制作可以把机械运动的能量转换为电能的装置。ZnO材料的优点是其制作的能量采集装置不需要极化就可以直接使用,无毒绿色环保,价格低廉。在本文中,我们把ZnO作为压电层,制备了具有多层结构的振动能量采集器,同时可以检测物体的加速度大小。还提出了一种基底为三角形结构的ZnO基能量采集器,这有效地提高了能量采集器的电压输出。利用ZnO的光学特性和压电特性和铝掺氧化锌(AZO)作为透明电极制作了具有多层结构的柔性透明能量采集器,也可以用作自供电式传感器使用,这反映了ZnO能量采集器在自供电触觉传感领域的良好应用前景。本文具体的研究内容及结果如下:1.探究了使用电化学沉积法在PET-ITO柔性基底上制备ZnO基能量采集器。为了更好地观察不同沉积时间对能量采集器的性能影响,在沉积时间为1,1.5和2h的条件下制备了3种能量采集器。采用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD),和电化学工作站对ZnO纳米棒进行了生长观察和性能测试。XRD扫描图谱显示,在不同沉积时间下ZnO纳米棒都具有[002]峰的择优取向。SEM表面形貌图显示,电沉积时间为2 h时,ZnO纳米棒呈现明显的六角纤锌矿结构。SEM断面图表明,电化学沉积2 h的纳米棒最长为1.1μm。最终结果显示,电沉积时间2h制备的纳米发电机的电压输出性能最好,输出电压为960 mV。最后,研究了电沉积法制作的能量采集器的工作机制。2.采用磁控溅射法制备了一种厚度约为80μm的小型能量采集器。它可以用作检测设备的加速度即可作为加速度传感器使用。为了沉积均匀致密的压电氧化锌薄膜,采用磁控溅射装置。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和铝掺氧化锌(AZO)分别是能量采集器的绝缘层和上电极。实验结果表明,采用AZO/PMMA/ZnO/不锈钢结构的能量采集器具有较高的输出电压。XRD的结果表明,退火处理的ZnO薄膜都具有(002)峰的择优取向,ZnO薄膜在退火温度为150℃时,晶粒较大。此外,退火温度还影响着能量采集器的开路电压值。实验表明,退火温度为150℃时,输出电压达到最高为3.81 V。所制备的自供电式加速度计的开路电压输出电压随加速度线性增大。测试表明该小型加速度计具有良好的抗疲劳性能,可用于小型轻量化装置的加速度测量。同时,制备了以致密氧化锌薄膜为压电层的三角形压电振动能量采集器。制作并优化了四种具有不同三角形的结构参数的压电能量采集器样品(TS-PVEH)。有限元仿真分析(FEM)和实验结果表明,三角形结构的高度和宽度对TS-PVEH的振动模态和输出性能有显著影响。优化结果显示,宽度为8.7 mm,长度为43.7 mm的能量采集器具有最佳的输出性能。当振动加速度为5 m/s2,频率为56 Hz时,其开路电压为290 mV,短路电流为1.25 μA。此外,当负载为0.1 MΩ时,其最大负载功率密度为0.035 μW/cm2。3.在柔性透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料上使用磁控溅射法制备透明的ZnO材料作为压电层,制备具有PDM S/AZO/PDMS/ZnO/PDMS/AZO/PDMS七层结构的ZnO基柔性透明能量采集器用作自供电式传感器。通过XRD测试结果表明,生长在PDMS层上的ZnO压电薄膜在[002]的方向上具有良好的择优取向。对制备的传感器采用UV-vis设备在可见光范围进行透射分析,结果显示透射率在80%左右。通过SEM对ZnO/PDMS结构的表面进行观察,发现ZnO均匀的沉积在PDMS衬底的表面上,对柔性透明能量采集器的断面进行SEM观察结果表明,ZnO的厚度为550 nm。传感器进行弯折测试,发现电压先随着弯折角度的增加而增加,在弯折角度为90度时电压最大。传感器的压力测试表明,在测试范围内,随着压力的增加电压输出越大。同时,在振动测试的结果说明,随着加速度的增加,传感器的压电信号在增强。最后把传感器贴在手腕部,良好的检测到了手部的运动并产生了不同特征的电压信号。
【图文】：

氧化锌,晶体结构

逡逑ＺｎＯ在正常的环境中，ＺｎＯ有着特殊的晶体结构：六方纤锌矿结构。如图１－丨所示，这种逡逑结构具有六角型的晶胞。Ｚｎ２＋和０２－形成一个四面体的结构。他们沿着Ｃ轴堆积叠加形成ＺｎＯ邋＝逡逑晶格常数为：ａ＝０．３２９６，邋ｃ＝０．５２０６５。密度为５．６７ｇ／ｃｍ３。光学带隙为３．３７邋ｅＶ。激子结合能为逡逑６０邋ｍｅＶ。由于这种特殊的结构组成，，当给予ＺｎＯ材料一定的压力，ＺｎＯ会产生压电效应逡逑（ｐｉｚｅｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ）［２０］0逡逑榦逡逑图１－１氧化锌的晶体结构＾逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｚｉｎｃ邋ｏｘｉｄｅ１６８１逡逑１．２邋ＺｎＯ基能量采集器发展概况逡逑自从一个多世纪前压电现象的发现以来，大量的压电材料己经得到发现。然而，具有纳逡逑米结构的压电材料的使用是一个相对较新的课题和方向，在纳米尺寸范围内，对压电的影响逡逑的理解仍在发展中，许多领域与新的应用都与压电材料有关。在王老师和宋老师ｍｉ的第逡逑一项研究中，使用汽－液－固（ＶＬＳ）方法在蓝宝石衬底上生长了氧化锌纳米棒，这导致在催化其逡逑生长后，通过原子力显微镜（ＡＦＭ）的测试得出１０ｍＶ的电压输出。逡逑随着研宄的深入

示意图,衍射光谱,射频溅射,结构表征

逡逑图１－３基于垂直排列的压电ＺｎＯ纳米线阵列的新型集成纳米发电机ｌ３Ｑ】逡逑Ｆｉｇ．邋ｌ－３邋Ａ邋ｎｅｗ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｒｒａｙｓ邋ｏｆ邋ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ邋ａｌｉｇｎｅｄ邋ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑ＺｎＯ邋ｎａｎｏｗｉｒｅｓ【３０】逡逑在柔性基底上，在２００９年Ｃｈｏｉ等人［３ｌ］使用低温硝酸锌水热生长方法，在导电氧化铟锡逡逑（ＩＴＯ）涂层的聚醚砜（ＰＥＳ）基板上生长纳米棒阵列（图１－４）。逡逑Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｏｐ邋ｆｉｌｍ逡逑逦Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｔｏｐ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑？？？？逦＾邋ＺｎＯ邋ｎａｎｏｒｏｄ邋ａｒｒａｙ逡逑＼邋ｊ邋ｙ＇邋■邋Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｂｏｔｔｏｍ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑Ｊ邋／逦Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑ｍｌ逡逑图ｌ－４氧化锌纳米棒生长在非导电塑料基板的早期柔性能量采集器示意图Ｉ—逡逑Ｆｉｇ．邋ｌ－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｅａｒｌｙ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｈａｒｖｅｓｔｅｒ邋ｕｓｉｎｇ邋ＺｎＯ邋ｎａｎｏｒｏｄｓ邋（ＳＥＭ邋ｓｈｏｗｎ邋ｉｎ邋ｉｎｓｅｔ）邋ｇｒｏｗｎ邋ｏｎ逡逑ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ丨３１１逡逑在这种情况下，将具有或不具有Ｐｄ－Ａｕ涂层的相同基板的顶部电极压到纳米棒阵列上。逡逑通过使用这种Ｐｄ－Ａｕ涂层，产生了更高的输出。此外，如图１－５，王中林老师等课题组还报逡逑道了使用磁控溅射法制备的ＺｎＯ薄膜能量采集器。因为磁控溅射法生长具有均匀性、再现性、逡逑兼容性和可扩展性等因素
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;O614.241

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