锰钴镍氧化物薄膜材料与器件性能研究

发布时间：2018-04-21 00:21

本文选题：过渡族金属氧化物 + 锰钴镍氧　；参考：《中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O)材料是具有立方尖晶石结构的过渡族金属氧化物,具有优异的负电阻温度特性,可用于温度传感器、整流器、非制冷型热敏红外探测器等方面,有着广阔的应用前景。而Mn-Co-Ni-O薄膜材料相比于体材料具有更优的物理性能,可用于制备性能优异的薄膜型热敏红外探测器。本文主要采用磁控溅射法制备Mn-Co-Ni-O(MCNO)薄膜材料,研究了不同后退火温度对薄膜材料的结晶结构、表面形貌和电学性能的影响,并对相应器件性能进行研究与分析;同时还研究了不同组分的MCNO薄膜材料的电学性能和光学性能,分析元素含量变化对材料性能的影响。本文还采用化学溶液沉积法制备了掺杂质元素的MCNO薄膜材料,研究了掺杂对薄膜性能的影响。针对热敏红外探测器的衬底热导对器件性能的影响在文中也做了相关的研究。具体内容如下:(1)通过磁控溅射法生长6.5μm的Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜材料,并将试样分别在400℃,500℃,600℃,700℃,800℃下进行退火处理。研究了不同后退火温度对薄膜材料结构、表面形貌和薄膜组分的影响,发现700℃后退火后薄膜的晶界有气孔存在。表面粗糙度则是随退火温度的提高而增大。文中还计算了Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜材料的混合熵,并得出800℃退火的熵值最大,并根据混合熵理论推出了熵值最大的MCNO薄膜材料的组分比例:当氧八面体中的Co离子为+2价时,具有最大熵的离子组分比例的化合物通式为Mn2Co0.67Ni0.33O_4;当氧八面体中的Co离子为+3价时,具有最大熵的离子组分比例为Mn1.5Co1Ni0.5O_4。(2)对不同后退火温度的Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜材料电学性能进行了研究,发现800℃退火试样的电阻率最低。在低温(≤215 K)时小极化子同时存在变程跃迁(VRH)和最近邻跃迁(NNH)电导模型,但更倾向于VRH模型,其中800℃退火处理后的材料呈现出较大的NNH倾向。通过计算,发现载流子浓度随退火温度的提高变化很小。文中对Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜材料的可见-近红外椭偏光谱进行了拟合,通过拟合的电导率与实验测试电导率的对比,发现Drude模型可以很好地模拟小极化子跃迁所产生的电导。而通过计算发现Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜材料的自由载流子虽然具有较高的浓度,但其有效质量也较大,为150m0(m0为电子的有效质量)。(3)研究了退火对Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜器件性能的影响,发现在相同频率下,500℃退火样品的归一化噪声谱密度(SV·VR/V2)最小,700℃退火样品的归一化噪声谱密度最大。对不同退火温度下的材料性能及其相应探测器件的测试,得出500℃退火1小时的探测率较大,为6.52×107(cm?Hz0.5/W@30Hz)。(4)对非晶Al_2O_3衬底上采用磁控溅射制备的不同组分比例的MCNO薄膜材料的结构、电学进行研究,可以得出在低电阻率范围内(1000Ω·cm),Mn1.2Co1.5Ni0.3O_4具有最低的电阻率(235Ω·cm)和最高的|a295|值(4.7%·K-1)。测试了不同组分的MCNO薄膜在1.33~27μm范围内红外透射谱和反射谱。发现Ni Co2O_4在整个测试波段基本不透光,其余组分的MCNO薄膜材料在2.5~6μm的波段都有较高的透射率,并分析了Mn、Co、Ni离子变化对透射率的影响。通过椭偏光谱拟合,得出了变组分的MCNO薄膜材料的n、k值。(5)研究了Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜探测器的热导随不同衬底厚度的变化规律,发现当偏置电压增大时,热导随着厚度的增加而逐渐减小,但在200μm与250μm的热导变化已经相差不大。通过对Mn_(1.95)Co_(0.77)Ni_(0.28)O_4薄膜探测器的热导随探测元面积变化规律的研究,发现Al_2O_3衬底的MCNO探测器的时间常数τ会随着探测元面积的增加而增大,而响应率RV也会随着探测元面积的增加而显著增大。对微桥结构的薄膜探测器的研究表明,相比于非微桥器件,其响应率平均提高了约80%左右,探测率则提高约44%。研究还发现,通过增加散热铜片可以将MCNO薄膜器件的衬底导热系数提高约47%,而响应电压则会降低约50%左右;测试所得无抛光铜片的器件响应时间为22 ms,有抛光铜片的器件响应时间为15 ms,器件导热系数的比为Ge1:Ge2=15:22。(6)采用化学溶液沉积法制备了Mn1.5Co1Ni0.5O_4和掺入Sb、Rh、Cu、Sc四种元素的Mn1.5Co1Ni0.35Sb0.15O_4、Mn1.5Co1Ni0.35Rh0.15O_4、Mn1.5Co1Ni0.35Cu0.15O_4、Mn1.5Co1Ni0.35Sc0.15O_4薄膜材料,研究了掺入元素对薄膜电学性能的影响,发现只有掺Cu元素同时具有较低的电阻率和较高的负电阻温度系数。同时对比了Mn1.5Co1Ni0.5O_4、Mn1.5Co1Ni0.35Cu0.15O_4和Mn1.5Co1Ni0.2Cu0.15Sc0.15O_4三种薄膜材料的光学性能,分析了薄膜内部的离子组成以及薄膜的抗老化特性测试结果。经过600天,Mn1.5Co1Ni0.35Cu0.15O_4薄膜的电阻变化93.9%,Mn1.5Co1Ni0.2Cu0.15Sc0.15O_4薄膜的电阻变化59.7%。可以看出,掺入Sc元素有效提高了Mn1.5Co1Ni0.35Cu0.15O_4薄膜材料的抗老化特性。采用CSD法在ITO上生长的Mn1.5Co1Ni0.5O_4薄膜材料,通过分析Mn1.5Co1Ni0.5O_4薄膜的能带结构,发现其禁带宽度为1.52 e V,同时对Mn1.5Co1Ni0.5O_4薄膜上的CBP、PCBM、TCTA三种有机物的能带结构进行了分析,发现Mn1.5Co1Ni0.5O_4薄膜均可与三种有机物形成PN结,三种复合薄膜的电学性能测试均呈现一定的整流特性。
[Abstract]:Mn - Co - Ni - O ( Mn - Co - Ni - O ) material is a kind of transition metal oxide with cubic spinel structure . It has excellent properties of negative resistance . The effect of different annealing temperatures on the properties of thin films is studied . The thermal conductivity of Mn _ ( 1 . 95 ) Co _ ( 0.77 ) Ni _ ( 0.28 ) O _ 4 thin film detector has been investigated . The results show that the response time of the MCNO detector is increased by about 47 % and the response rate is increased by about 44 % .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2;TN215

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