ZnO基柔性壓電振動(dòng)能量采集器的制備及性能優(yōu)化.pdf

1、ZnO(氧化鋅)作為一種應(yīng)用非常廣泛的透明氧化物半導(dǎo)體材料,其禁帶寬度和激子束縛能都比較大,且透明度高,更是有著優(yōu)異的壓電性能,使其提供了一種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的新方式,在能源采集轉(zhuǎn)換等方面有著極其重要的應(yīng)用前景。因此通過ZnO基壓電能量采集器的壓電薄膜性能優(yōu)化以及多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改善,提高壓電能量采集器的光電性能和輸出電壓,成為廣泛研究的熱點(diǎn)問題。本文在不透明不銹鋼基底和透明聚合物基底上直流磁控濺射生長(zhǎng)AZO薄膜作為電極,射頻磁控濺射生

2、長(zhǎng)ZnO壓電薄膜,最終制備多層膜壓電能量采集器。通過改變AZO電極的濺射參數(shù),壓電薄膜的濺射參數(shù)和壓電薄膜的退火處理等來探究其對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)性能的影響,主要的探究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.探究了在WG柔性透明玻璃基底上沉積AZO薄膜的參數(shù)優(yōu)化,依次研究了沉積厚度,濺射功率,工作壓強(qiáng),沉積溫度和預(yù)應(yīng)力對(duì)AZO薄膜的光電性能的影響。通過XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)制備的AZO薄膜都有突出的(0002)峰,表明AZO膜具有高度c軸擇優(yōu)取向的纖鋅礦

3、相結(jié)構(gòu)。從SEM表面和斷面圖可以看出AZO膜的柱狀結(jié)構(gòu)明顯并且排列緊密有序。光學(xué)測(cè)試可以看出所有制備的AZO薄膜透光率都很高,在可見光范圍內(nèi)透光率在80％左右,從吸收曲線計(jì)算的禁帶寬度可以發(fā)現(xiàn)Al摻雜ZnO后禁帶寬度值變大。四探針測(cè)試的AZO薄膜的電阻率由方塊電阻和厚度兩個(gè)因素共同決定,可以發(fā)現(xiàn)隨著沉積厚度的增加,電阻率先是迅速變小,在厚度達(dá)到一定值(濺射時(shí)間40min)后,電阻率隨著薄膜厚度的進(jìn)一步增加而有所增加。AZO薄膜的電阻率與

4、濺射功率的關(guān)系為,隨著濺射功率增加到100W時(shí),電阻率達(dá)到最低。AZO薄膜的電阻率還隨著工作壓強(qiáng)的改變而改變,在工作壓強(qiáng)達(dá)到0.9Pa時(shí),電阻率達(dá)到最小。此外AZO薄膜的電阻率還隨著沉積溫度的升高而變小。最后在預(yù)應(yīng)力生長(zhǎng)下的AZO薄膜的電阻率比正常生長(zhǎng)下的AZO薄膜的電阻率更大些,在基底曲率半徑為13cm時(shí),電阻率最小。
　　2.采用射頻磁控濺射ZnO薄膜并探究了濺射參數(shù)和后處理對(duì)ZnO薄膜性能的影響。首先研究了在不透明的不銹鋼柔

5、性基底上制備的ZnO的性能與退火溫度的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)退火處理可以有效地改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和禁帶寬度值。在退火100℃和150℃時(shí),ZnO薄膜的晶粒尺寸達(dá)到最大,結(jié)晶度最好,禁帶寬度值最大。然后研究了濺射過程中的氧氬氣體比對(duì)生長(zhǎng)在不同的聚合物柔性基底上的ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響,可以發(fā)現(xiàn)在ITO/玻璃基底上的ZnO薄膜在氧氬氣體比為0.3時(shí),薄膜結(jié)晶度最好,在ITO/PEN和ITO/PET基底上的ZnO薄膜的結(jié)晶度先是隨著氧氬氣體比的

6、變大而變好,在比值為0.4時(shí)達(dá)到最大,然后隨著氧氬氣體比值的繼續(xù)增加而輕微減小。所有制備的ZnO薄膜均勻緊密排列且斷面的柱狀結(jié)構(gòu)清晰可見。
　　3.利用上述的AZO薄膜和ZnO薄膜的制備參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果設(shè)計(jì)了AZO/PMMA/ZnO/不銹鋼和AZO/PMMA/ZnO/ITO/PET(PEN)兩種結(jié)構(gòu)的多層膜壓電能量采集器,并探究了以不銹鋼為基底的能量采集器的輸出電壓性能隨著退火溫度和壓電薄膜厚度的改變而變化的規(guī)律?？梢缘玫皆谕嘶饻囟?/p>