文摘

激光辐照的影响ZnO-based薄膜的结构和电气性能。XRD模式表明,高质感的沿薄膜设在和垂直于衬底的表面。拉曼光谱显示,Bi₂O₃主要负责隔离在ZnO-ZnO晶界。激光辐照处理后,薄膜的晶粒尺寸显著减少,和内在原子缺陷的晶界和Bi元素在晶界隔离互动频繁,形成了复合受体状态的缺陷。非线性系数增加到24.31和击穿电压降低到5.34 V。

1。介绍

氧化锌压敏电阻具有高非线性系数,低的泄漏电流和高吸收能力。他们被广泛应用于高压电气设备的保护自1970年代以来,抑制雷电过电压等电力系统(1- - - - - -5]。然而,现代的电子元器件,主要基于硅,不仅更容易受电暂态过电压,而且损害由电磁脉冲或电磁干扰(EMI)噪音,是现在全世界受法律严格管制6,7]。因此,该行业有很高的要求,低压压敏电阻。低压压敏电阻,它需要几微米的厚度减少非线性电压。氧化锌薄膜具有良好的质量是通过不同的方法种植,如热液法(8],溶胶-凝胶技术[9],电子束蒸发[10)、脉冲激光沉积(11),和磁控溅射12]。中,磁控管显示几个优点晃如电影和衬底之间的附着力好,低衬底温度、大范围地区的可伸缩性,伟大的厚度均匀沉积速率范围,高的胶片密度(12- - - - - -15]。

最近,激光辐照技术已经用于薄膜作为一种有效的方法提高晶体质量,提高电子给体(16- - - - - -19]。激光辐照有几个优点,包括快速结晶在室温下,当地的结晶,结晶低熔点基体上的薄膜,并增加载流子通过光电导性的效果。-蔡和王18)执行氧化锌薄膜在玻璃KrF溶胶-凝胶法和使用准分子激光退火。他们报告说,薄膜的结晶度水平和平均微晶大小与准分子激光辐照大于热退火的薄膜。曾荫权et al。19)的透明导电偶氮薄膜使用KrF准分子激光辐照。他们报告说,偶氮薄膜的电气和光学特性由准分子激光辐照显著改善。

我们所知,没有报告ZnO-based薄膜压敏电阻与激光辐照低压应用程序存在。在我们以前的工作(20.),我们研究了激光冲击的影响氧化锌压敏电阻陶瓷的电性质。在目前的工作,ZnO-based薄膜的高质量由射频磁控溅射技术在Si(111)基板。考试后,影片后来被激光照射。本文研究了ZnO-based薄膜的结构和电气性能为低压压敏电阻的应用程序。

2。实验

ZnO-based薄膜沉积在硅(111)基板由射频磁控溅射技术,其次是退火在700°C 4 h在空中。目标,ZnO-based陶瓷直径60毫米和5毫米厚度,是由干燥的紧迫,随后空气中烧结。目标的原材料涨跌互现粉末和匹配的成分为96.5摩尔%氧化锌+ 2摩尔% Bi₂O₃+ 1.5 mol % (MnO₂、有限公司₂O₃、铬₂O₃和某人₂O₃)。是优化组合研究作者在我们以前的工作。Si(111)作为衬底的氧化锌薄膜沉积在超声波清洗槽与乙醇比干15分钟使用。基质是喷金的金属喷镀设备5分钟,准备一层底电极在硅衬底上。使用天空- 0826138射频磁控溅射仪器、背景室的真空度是小于1×10⁻⁴Pa。溅射压强是3.0 Pa,氩30 sccm流动。溅射时间60分钟,溅射功率为150 W。衬底温度为300°C。的膜厚度控制在2微米的范围内。激光辐照处理后,激光辐照区域覆盖着黄金准备上电极。图1显示了ZnO-based薄膜压敏电阻的结构。

0.2毫米铝箔坚持电影表面吸附层。自制的液体涂在铝箔表面约束层。厚度为0.5毫米。激光辐照参数如:光斑直径6毫米,波长1064 nm, 5纳秒脉冲宽度,脉冲能量0.8 J。最后,模具的样本集进行激光辐照实验。激光辐照处理后,电影的表面是很好,这表明只要激光辐照参数的合适,激光辐照完全可以应用于电影。

结构性能的特征x射线衍射仪(XRD) CuKα辐射。表面形态和均方根(RMS)电影的粗糙度水平研究了利用原子力显微镜(AFM)。平面视角ZnO-based薄膜的显微图的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)。拉曼光谱是兴奋的532纳米线激光的入射功率10兆瓦和获得范围0 - 3000厘米⁻¹。的曲线是由晶体管特性测量仪。击穿电压(V)和漏电流(μ/毫米²)是由压敏电阻器一般测量仪器。

3所示。结果和讨论

ZnO-based薄膜的x射线衍射模式辐照前后的图所示2。只有(002)峰在XRD观察模式,这表明电影高度变形沿设在和垂直于衬底的表面。该衍射峰是索引的六角纤锌矿型氧化锌和没有任何其他阶段的衍射峰或检测到杂质(8,9,11]。辐照后,(002)氧化锌峰的强度增加,转向更大的角度。这一趋势的转变在x射线衍射模式表明,Bi^{3 +}占领了锌离子^{2 +}代理的网站(15,21]。这个结果也表明,激光辐照可以促进Bi的替换^{3 +}离子锌^{2 +}离子(18]。

图3电影展示了AFM形态,说明薄膜的表面形态。(a)是样品在辐照和(b)辐照后的样品。激光辐照后,薄膜表面形态变化显著。对应上面的两个样品,RMS表面经受31.4和2.8纳米。这部电影被激光辐照表面相对光滑,密集的形态。在初始状态,激光冲击波通过刚性铝箔坚持电影表面和铝箔的底部。阻抗失配的铝箔和电影,强烈的接触点之间的接触压力出现铝箔和电影。锋利的突起在强烈的接触压力和压缩这个特点是降低表面粗糙度。图4显示准备的形态和粒径电影通过SEM。直方图显示平均粒径的分布,合理描述高斯函数,显示紧大小分布与平均直径大小大约191和139海里,分别。

图5显示ZnO-based薄膜的拉曼光谱。一个更大的峰值在437厘米⁻¹观察到,这几乎是一样标准的氧化锌。它表明,薄膜几乎是免费的压力。从理论上讲,很难替代锌^{2 +}由Bi^{3 +}在氧化锌晶体,Bi的半径^{3 +}远远大于锌吗^{2 +}。结果表明,Bi₂O₃主要负责隔离在ZnO-ZnO晶界ZnO-Bi Bi-rich阶段烧结中₂O₃系统。Bi元素均匀分布在整个薄膜,和Bi出现在特定的分布规律,几乎分布在晶界。激光辐照处理后,晶界增加晶粒细化。在这种情况下,晶界和Bi元素的内在原子缺陷隔离在晶界频繁交互,形成复合受体状态的缺陷(22,23]。因此,界面状态密度晶界的大大增加,促进势垒高度的增加和非线性系数。因此,ZnO-based陶瓷膜的压敏电特性激光照射状态非常好。

表1是电气性能的结果。非线性系数击穿电压是(V)和漏电流(μ/毫米²)。激光辐照处理后,非线性系数是24.31,这就增加了40.8%,和击穿电压为5.34 V,这减少了20.7%。泄漏电流密度是低至2.03μ/毫米²,减少了12.1%。类似的调查已经由其他研究人员。Horio et al。13制备氧化锌/公关₆O₁₁电影在玻璃基板上的射频磁控溅射技术,膜厚度是600海里/ 400海里。击穿电压是20 V和非线性系数是10。Miśta et al。14)准备Bi-doped电影ITO /玻璃使用Zn-Bi射频磁控溅射技术的目标。结果显示,击穿电压是几伏到几十伏,非线性系数是15。宋(24)准备低压氧化锌压敏电阻和调查现场故障;抛光后,击穿电压为9.71 V,非线性系数为20.35。因此,电气性能显著提高,激光辐照处理。

的晶界ZnO-based陶瓷薄膜是一种薄的障碍区,在大量的界面状态和电子陷阱的存在。他们能够捕捉氧化锌颗粒的自由电子。晶界的电子耗尽,耗尽层形成。因此,电子屏障从颗粒表面形成了具有一定深度的身体。势垒高度是,叫做双肖特基势垒(25]。电压特异性电性质的来源。

非线性特征ZnO-based电影来源于晶界势垒。研究激光辐照处理的影响ZnO-based陶瓷膜的电特性,我们采用了双肖特基势垒模型提出的古普塔和卡尔森26)来解释电性质的变化。在preswitch地区,有一个额外的电流密度和电场之间的关系从模型,获得所示(27]

电流密度,理查森是常数,绝对温度,电场强度,势垒高度,波尔兹曼常数。(17),粮食数量的单位长度,势垒宽度,是电子电荷(1.602×10⁻¹⁹C),真空介电常数(8.85×10⁻¹⁴F /厘米)是相对介电常数(8.5)。设置25°C,拟合图的电影和电影的激光照射状态如图5。由图的边界特征参数进行了计算6,这是列在表中2,包括势垒高度,势垒宽度,界面状态密度,施主浓度。

表2表明激光辐照处理后,势垒高度增加,势垒宽度减少,施主浓度和界面状态密度也大大增加。根据(27]

非线性系数势垒的高度成正比吗。从1.86上升到2.41,这促使的增加从12.94到21.38。势垒高度的增加可以有效地改善非线性系数。根据公式(18),势垒高度界面状态密度密切相关浓度和捐助。激光辐照处理后,薄膜产生晶格畸变,氧化锌的内在原子缺陷的数量增加。没有第二阶段衍射峰的x射线衍射模式样本,但不能排除掺杂元素不定在晶界类型隔离。

4所示。结论

激光辐照处理后,电性质的电影已经在不同程度改善。非线性系数为24.31,增加了40.8%。击穿电压为5.34 V,这降低了20.7%。泄漏电流密度低至2.03μ/毫米²,降低了12.7%。晶粒尺寸减少,相邻颗粒之间的间隙也降低了。这部电影产生了晶格畸变,导致氧化锌内在原子缺陷的保值增值。随着晶粒的细化,晶界增多。在这种情况下,晶界和Bi元素的内在原子缺陷隔离在晶界频繁交互,形成复合受体状态的缺陷。界面状态密度晶界的大大增加,增加势垒高度。因此,ZnO-based陶瓷膜的压敏电特性激光照射状态非常好。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。