ZnO薄膜在傳感器方面的研究與應用白樺林目錄：ZnO的基本性質及能帶結構ZnO的缺陷、摻雜、合金及能帶工程ZnO薄膜的制備技術ZnO在傳感器方面的的應用總結文獻ZnO的基本性質ZnO熱力學穩定相為釬鋅礦結構，寬帶隙3.37eV（常溫），缺乏中心對稱性，對可見光透明。纖鋅礦常溫具有較大激子束縛能60meV，本證載流子濃度<106cm-3,電子遷移率200cm2/(V.s),空穴遷移率5~50cm2/(V.s)WurtziteZnO:spontaneouspolarizationZnO的能帶結構ZnO直接帶隙寬禁帶3.37eV由于六方纖鋅礦結構對稱性較低，ZnO能帶較復雜。其價帶導帶的能隙有O-2p,Zn-4s態決定對ZnO能帶的深入研究最早是Thomas，后來Shindo和Lambrecht等人作了進一步研究之后，人們對ZnO的能帶結構做了更深入的探索，為ZnO能帶工程打下良好基礎。Zn-4sO-2pZnO的缺陷錯位與晶界ZnO薄膜中存在原生層錯和擴展位錯、ZnO薄膜中退火誘生的層錯及晶界本征點缺陷氧空位、鋅空位（綠光）、氧間隙、鋅間隙、反位缺陷其中.氧空位和鋅間隙之類的“缺氧”環境對ZnO的P型摻雜是非常不利的。ZnO中的氫雜質氫在ZnO中作為施主，對P性摻雜不利ZnO的摻雜AZO、GZO、IZO最常見，為N型摻雜另外，摻B，摻N、P、As、Sb等V族元素，摻Mo等VI族元素，摻F等VII族元素以及La系元素的N型摻雜均有研究，我們可以從這里得到一些啟發，摻雜一種或多種元素來提高薄膜性能。對于P型摻雜：摻IA族（Li、Na、K），IB族（Au、Ag、Cu），N、P、As、Sb等V族元素對ZnO中O的替換（摻雜），H輔助摻雜，施主受主共摻雜（Al-N,Ga-N,In-N）,以及雙受主共摻雜。ZnO的合金及能帶工程能帶工程主要通過合金化來實現，對于ZnO有兩種途徑：ZnO與等價態的MO(M=Mg,Be,Cd)混溶實現ZnMO。ZnO與鋅硫族化合物ZnX(X=S,Se)混溶實現ZnOX。三元合金一般有兩種晶體結構相同或相似化合物混溶得到，若兩種晶體化合物禁帶類型一致，則可實現禁帶近似線性調制，若不一致則分段近似。ZnO薄膜的制備技術ZnO-TCO薄膜的制備技術磁控濺射法脈沖激光沉積法（PLD）電子束蒸發法MOCVD噴霧熱分解溶膠-凝膠法（Sol-gel）電化學沉積水熱法化學浴沉積分子束外延（MBE）

關于成膜技術，PLD法與磁控濺射法是制得高質量的ZnO的較好方法但是設備復雜效率低，成本高，MOCVD成膜質量較好但成本也較高，噴霧熱分解法、Sol-gel和電化學沉積法都可以實現低成本大面積成膜但是成膜質量一般工藝有待改進。ZnO在我們可能涉及領域（如顯示領域）的應用發光材料寬禁帶量子效應透明導電膜電極電極修飾增透膜保護膜藍綠、藍紫、紫外LED白光LED、OLED柔性OLED等發光器件OPB，復合OPBTFTLED、OLED等薄膜太陽能電池電致發光光致發光陽極陰極增加光吸收增加光出射ZnO透明導電膜的應用ZnO薄膜在傳感器方面的應用

氧化鋅是一種具有六角纖鋅礦結構的寬禁帶氧化物半導體材料，有優良的壓電性、氣敏

性、壓敏性和濕敏性，且原料廉價易得，常被用來制作傳感器的敏感元件。

ZnO薄膜傳感器具有如下優點：響應速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等。壓電傳感器

ZnO薄膜具有優良的壓電特性，即在一定方向上受到外力作用時，其內部就會產生極化現象，同時在某兩個相對的表面上產生符號相反的電荷，外力去掉后，又恢復到不帶電狀態。在制作各種ZnO傳感器時，通常會把ZnO薄膜沉積在一層薄的硅梁上，以增加其壓電效應。

利用ZnO壓電薄膜為換能器制作的硅微壓電薄膜傳聲器，較性能有了大幅提高，1000Hz基準頻率的靈敏度達到-85dB，500Hz~10000Hz波段頻率響應的平坦度在±3dB范圍內。壓電傳感器

傳感器越來越小型化、微型化，這些為其應用帶來了許多方便。以IC制造技術為基礎發展起來的微機械加工工藝可使被加工的敏感結構的尺寸達到微米、亞微米級，并可以批量生產，從而制造出微型化而價格便宜的傳感器。將ZnO壓電薄膜技術與表面微機械加工技術結合起來，可以得到新型的微型氧化鋅多功能器件。壓電傳感器圖2壓電薄膜傳感器示意圖

圖2所示ZnO壓電薄膜表面微機械傳感器示意圖。這種新結構的器件既充分發揮了表面微機械加工技術的優點,又可利用ZnO材料的多功能特性，與用體微機械技術制作的集成化ZnO器件相比,可大大簡化其制作工藝和減小器件尺寸,為研制集成ZnO薄膜器件提供了一種有效的手段。氣敏傳感器

ZnO是一種典型的表面控制型氣敏材料，通常其顆粒越小，比表面積越大，氧吸附量則越大，材料的氣體靈敏度越高；ZnO薄膜氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。優點：靈敏度高、響應迅速、機械強度高、互換性好、產量高、成本低等氣敏傳感器圖31000ppmCO氣氛下ZnO:Al薄膜的靈敏度和溫度關系曲線

ZnO敏感材料是N型半導體，當添加鉑作催化劑時，對丙烷、丁烷、乙烷等烷烴氣體有很高的靈敏度；而用鈀作為催化劑時，對H2和CO有較高的靈敏度；這種原件有很高的的選擇性。Al摻雜的ZnO薄膜氣體傳感器則能在400℃的溫度下工作，對CO的靈敏度可達61.6%，其靈敏度曲線如圖3所示。濕度傳感器

濕度傳感器，可以將濕度的變化轉化為電訊號，易于實現濕度指示、記錄和控制的自動化。濕敏材料是指電阻值隨環境濕度的增加而顯著增大或降低的一些材料。納米薄膜有大的比表面積，毛細微孔多，更易于吸收水蒸氣，是制備濕度傳感器的首選材料。利用ZnO薄膜制作的濕度傳感器，由于ZnO薄膜是一種晶體間隙存有過剩Zn離子的n型半導體，通過添加雜質可以在寬廣范圍內控制電阻值。濕度傳感器

右圖為ZnO薄膜濕度傳感器的結構示意圖。它是在陶瓷、玻璃等絕緣基片上形成一對叉指的檢測電極，再在叉指電極上部覆蓋用作濕敏元件的ZnO薄膜。圖4ZnO薄膜濕度傳感器的結構濕度傳感器

摻雜可以大大改善ZnO的濕敏特性。浙江大學的研究者用有機物（NaPSS）和ZnO納米復合而成的薄膜制得了性能優良的濕敏傳感器，其具有良好的線性度、很高的靈敏度、以及很小的濕滯回差（僅2%RH），而且響應、恢復時間均小于2s。其濕滯回線如右圖所示。ZnO鍍膜光纖傳感器

光纖系統除了在數據通信領域中大量采用外，越來越廣泛的被應用于各種信號的采集、傳輸與處理。以氧化鋅（ZnO）作為壓電層的鍍膜光纖傳感器也被越來越多的人所研究。ZnO鍍膜光纖傳感器

右圖所示為ZnO鍍膜光纖傳感器的幾何結構，其中的壓電層為氧化鋅鍍膜層，當內電極層和外電極層之間的電壓發生變化時，光纖內產生振蕩聲波，使得光纖的折射率改變，在有光信號通過時，其相位發生變化，其本質是一種聲光諧振器。ZnO鍍膜光纖傳感器的幾何結構總結

最近30多年來圍繞著氧化鋅薄膜的晶體結構、物化性能、成膜技