氧化鎢和氧化鋅功能薄膜材料及其器件應(yīng)用研究.pdf

1、氧化鎢和氧化鋅作為重要的功能材料在變色器件、微型傳感器、聲表面波器件和微流體器件等研究領(lǐng)域備受關(guān)注。在結(jié)晶生長優(yōu)化條件下，采用納米技術(shù)和先進(jìn)的鍍膜技術(shù)制備出性能優(yōu)異的功能薄膜，這對提高器件性能及其應(yīng)用意義重大。本論文采用水熱法在包覆劑調(diào)控生長中得到結(jié)構(gòu)新穎的氧化鎢納米晶，利用磁控濺射技術(shù)沉積出高質(zhì)量的氧化鋅薄膜，結(jié)合微加工工藝實(shí)現(xiàn)了氧化鋅多層膜聲表面波器件的性能優(yōu)化，并將該類聲波器件用于傳感器和微流體液滴控制研究。
　　（1）用有

2、機(jī)酸銨—酒石酸銨為包覆劑，水熱結(jié)晶生長出微板狀、海膽狀和微球狀形貌的氧化鎢納米晶。利用初始溶液pH值變化觀察其對所得樣品的晶體結(jié)構(gòu)和形貌的關(guān)系，當(dāng)反應(yīng)溶液pH值從1.08減小到0.6時，球狀形貌變化為微板狀結(jié)構(gòu)，晶相由六方相部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌郬O3。除了鈉離子和銨根離子吸附作用外，在酒石酸銨濃度增大時酒石酸根離子的氫鍵作用能夠增強(qiáng)包覆效應(yīng)。光學(xué)性質(zhì)分析表明當(dāng)氧化鎢晶粒尺寸變小時，其帶隙能相應(yīng)增大，其中殘留鈉離子的局部晶格插入和氧缺陷致使出

3、現(xiàn)藍(lán)發(fā)光增強(qiáng)效應(yīng)。
　?。?）利用苯甲酸銨水熱調(diào)控生長出具有不同分級結(jié)構(gòu)的氧化鎢（及其結(jié)晶水合物）納米晶，包括微球狀、微花狀和連星介孔結(jié)構(gòu)。通過紅外光譜和含時生長分析了連星狀分級結(jié)構(gòu)氧化鎢納米晶的自組裝過程，提出形成球狀、花狀和連星狀微結(jié)構(gòu)的新自組裝機(jī)制。進(jìn)一步將連星狀氧化鎢納米晶作為敏感膜，用樂甫模聲表面波器件實(shí)現(xiàn)了相對濕度的穩(wěn)定探測，傳感器共振頻率隨著相對濕度從30增加到90％而向低頻區(qū)發(fā)生偏移，頻移與相對濕度呈線性關(guān)系。

4、r>　?。?）設(shè)計特殊的具有一系列不同基底傾角的基底夾持裝置實(shí)現(xiàn)一步高效地濺射制備微晶柱傾斜變化的氧化鋅薄膜。掃描電鏡測試顯示氧化鋅薄膜的微晶柱傾斜角度從0o變化到34o。X射線衍射譜分析顯示氧化鋅薄膜的應(yīng)變強(qiáng)度隨基底傾角減弱。光學(xué)表征表明隨著基底傾角從0o變化到60o，薄膜帶隙從3.19 eV減小到3.07 eV，擬合結(jié)果顯示帶隙與薄膜應(yīng)變兩者符合線性關(guān)系。
　?。?）采用先進(jìn)鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氧化鋅/超納米晶金剛石（UNCD）多層

5、膜的沉積工藝的簡化，得到 c軸取向和低應(yīng)力的高質(zhì)量氧化鋅薄膜。用以上多層膜光刻加工出相應(yīng)的聲表面波器件，其瑞利波的透射頻譜信號優(yōu)于其他用常規(guī)濺射技術(shù)加工的類似器件的透射信號。瑞利波和Sezawa波相速度均呈現(xiàn)出薄膜厚度效應(yīng)。當(dāng)UNCD薄厚在1.14-1.79μm時，器件的頻率溫度系數(shù)均小于-30 ppm/℃。對于7.68μm厚ZnO和1.06μm厚UNCD膜層結(jié)構(gòu)的器件，瑞利波耦合系數(shù)可達(dá)5.2%。2.72μm厚ZnO和1.1μm厚UN

6、CD多層膜聲表面波器件具有很低的頻率溫度系數(shù)?23.4 ppm/℃，這非常接近理論值?22 ppm/℃。
　?。?）通過在36°Y切 LiTaO3基底上沉積光電導(dǎo)性能優(yōu)良的氧化鋅薄膜，實(shí)現(xiàn)了新型樂甫模聲表面波器件靈敏監(jiān)測弱強(qiáng)度紫外光。紫外光敏感測試顯示，器件能夠探測到波長254 nm紫外光的最低強(qiáng)度為350μW/cm2，響應(yīng)最大幅值改變量為-6.4 dB，頻移達(dá)到150 kHz；在365 nm和570μW/cm2紫外光照射下，透射

7、信號的最大幅值的改變量下降到-2.5 dB，沒有出現(xiàn)顯著頻率偏移。因?yàn)槁曤娮饔弥械穆曀俑淖兒吐暡▊鞑ニp相互調(diào)制，觀察到在響應(yīng)下降沿和上升沿出現(xiàn)頻率跳變效應(yīng)。
　?。?）研究了膜厚為5.96/1.15μm的ZnO/UNCD聲表面波器件在不同加載功率激發(fā)的聲表面波驅(qū)動液滴的共混、輸運(yùn)和噴射特征，分析總結(jié)該器件的各種流體現(xiàn)象隨液滴體積和輸入功率變化的臨界行為。進(jìn)一步比較具有不同膜層厚度的ZnO/UNCD聲表面波器件在微流體液滴控制中的

8、流體效率，與不含UNCD夾層的氧化鋅聲表面波器件相比，含UNCD夾層的器件可有效提高液滴的輸運(yùn)效率和噴射效率。通過精確觀察分析噴射動力學(xué)過程，液滴最大噴射角在1.5－8μL范圍內(nèi)隨液滴體積增大而減小，當(dāng)體積大于8μL時，最大噴射角會在69°附近振蕩。
　?。?）水平剪切聲表面波驅(qū)動液滴實(shí)現(xiàn)了液滴的共混和霧化。液滴內(nèi)的共混流線模式靈敏地依賴于液滴的位置、聲波耦合的角度、液滴尺寸和叉指換能器的孔徑。當(dāng)叉指換能器的孔徑變大時，液滴霧化的