氧化鋅薄膜是一種具有優(yōu)良的壓電、光電、氣敏、壓敏等性質(zhì)的材料。氧化鋅薄膜的制備方法多樣，薄膜的性質(zhì)取決于不同的摻雜組分，并與制備工藝緊密相關(guān)。簡述了氧化鋅薄膜的制備方法與基本性質(zhì)與應(yīng)用，分析了氧化鋅薄膜研究、應(yīng)用與開發(fā)現(xiàn)狀，展望了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。
氧化鋅(氧化鋅)薄膜是一種具有廣泛用途的材料，其性能隨摻雜組分和制備條件的不同而變化。長期以來，對氧化鋅薄膜的研究主要集中在壓電性、透明導(dǎo)電性、光電性、氣敏性、壓敏性等方面。人們用氧化鋅薄膜做成了聲表面波諧振器、壓電器件、太陽電池透明電極和增透膜、液晶顯示器透明電極、氣敏濕敏傳感器等，在諸多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。近年來，隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，氧化鋅的P型摻雜和PN結(jié)制作，利用氧化鋅制作紫外半導(dǎo)體激光器，氧化鋅薄膜光泵浦紫外受激發(fā)射的研究成為新興的前沿課題。本文對氧化鋅薄膜的結(jié)構(gòu)、基本性質(zhì)、最新制備技術(shù)及開發(fā)應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述，并對該材料的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。
氧化鋅薄膜的晶格結(jié)構(gòu)：
優(yōu)質(zhì)的氧化鋅薄膜具有C軸擇優(yōu)取向生長的眾多晶粒，每個晶粒都是生長良好的六角形纖鋅礦結(jié)構(gòu)。按照一般的晶體學(xué)模型，氧化鋅晶體是由氧的六角密堆積和鋅的六角密堆積反向嵌套而成的，晶格常數(shù)a=0.325nm，c=0.521nm，配位數(shù)為4:4，每一個鋅原子都位于4個相鄰的氧原子所形成的四面體間隙中，但只占其中半數(shù)的氧四面體間隙，氧原子的排列情況與鋅原子相同。單位晶格中含有兩個分子，體積v=0.047615nm，。因而這種結(jié)構(gòu)比較開放，間隙原子的形成焙比較低，半徑較小的組成原子容易變成間隙原子，如氧化鋅中Zn的濃度比較高?；瘜W(xué)計量比的氧化鋅為寬帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度約3.3eV，本征氧化鋅薄膜的電阻率高于106 Ω·cm改變生長、摻雜或退火條件，可形成簡并半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能大幅度提高，電阻率可降低到10-4 Ω·cm數(shù)量級。
氧化鋅薄膜的墓本性質(zhì)與應(yīng)用：
氧化鋅薄膜在垂直于基片表面C軸取向一致的情況下，就能具有像氧化鋅單晶那樣的較好的各向異性壓電性。作為一種壓電材料，它以其所具有的較強(qiáng)的機(jī)電藕合系數(shù)，在超聲換能器、頻譜分析器、高頻濾波器、高速光開關(guān)及微機(jī)械上有相當(dāng)廣泛的用途，是制備高頻表面聲波器件的首選材料。
氧化鋅薄膜具有電阻率隨表面吸附氣體種類和濃度變化的特點(diǎn)。一般，吸附還原性氣體時其電導(dǎo)率升高，吸附氧化性氣體時其電導(dǎo)率降低;當(dāng)其接觸還原性氣體時，隨著氣體濃度的增大，電導(dǎo)率將升高，而當(dāng)其接觸氧化性氣體時，則隨著氣體的濃度增大電導(dǎo)率會降低。經(jīng)某些元素?fù)诫s之后的氧化鋅薄膜對有害性氣體、可燃?xì)怏w、有機(jī)燕氣等具有很好的敏感性，可制成各種氣敏傳感器。
氧化鋅的壓敏性質(zhì)主要表現(xiàn)在非線性伏安特征上。氧化鋅壓敏材料受外加電壓作用時，存在一個鬧值電壓，即壓敏電壓(VlmA)。當(dāng)外加電壓高于該值時即進(jìn)入擊穿區(qū)，此時電壓的微小變化即會引起電流的迅速增大，變化幅度由非線性系數(shù)(a)來表征。氧化鋅薄膜所具有的較低的壓敏電壓和較高的非線性系數(shù)，浪涌吸收能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等突出特征，為氧化鋅壓敏材料在微型電路保護(hù)方面的應(yīng)用開辟了廣闊的市場前景。
摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜具有導(dǎo)電性好，透光率高，對紫外線吸收強(qiáng)，紅外反射率高及對微波衰減率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的透明導(dǎo)電薄膜，可用于平面顯示器、太陽能電池、透明電板，以及需要阻擋紫外線、屏蔽熱輻射和電磁波的地方。
氧化鋅和藍(lán)光材料GaN同為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，有相近的晶格常數(shù)和禁帶寬度，同時，它的激子激活能高達(dá)60meV，理論上有可能實現(xiàn)室溫下的紫外受激輻射。氧化鋅薄膜在沉積過程中具有自組裝性能，柱狀晶的截面呈六邊形，柱狀晶垂直于襯底表面，當(dāng)氧化鋅薄膜在室溫下產(chǎn)生光致激光發(fā)射時，柱狀晶三對互相平行的側(cè)面中相對應(yīng)的晶面在光注入時起反射面的作用，光子在其間往復(fù)運(yùn)動形成駐波而獲得光放大，這一性質(zhì)使氧化鋅薄膜有可能實現(xiàn)紫外激光發(fā)射器件。
