研究人员采用改良溶胶-凝胶法制备出高压电性能的掺钒ZnO薄膜
为提高MEMS压电器件的性能，国内外研究人员对ZnO压电薄膜的制备方法进行了优化，掺杂是优化手段之一。研究表明，掺钒ZnO薄膜的压电系数比未掺杂的高一个数量级，其压电系数可达110pm/V。但目前国际上主要采用磁控溅射法制备掺钒ZnO压电膜，这种方法存在掺杂不充分、不均匀、掺杂浓度难以准确控制等问题。
为此，中科院声学所超声学实验室李俊红研究员团队采用改良溶胶-凝胶法制备了掺钒ZnO薄膜，研究了关键制备参数对薄膜结构及压电性能的影响，优化了薄膜的制备技术，明显提高了材料的压电性能。
相关成果在线发表于国际学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 。
测试结果表明，随着退火温度的升高、时间的增长，薄膜的压电性能先提高后降低，压电系数最高可达240pm/V，是纯ZnO薄膜压电系数的约20倍。同时，与目前常用的磁控溅射法制备的ZnO：V薄膜相比，采用本文的方法能使薄膜成分分布更加均匀，且掺杂更加充分，因此能更大程度地提高薄膜的压电性能（目前已有的研究成果中，磁控溅射掺钒氧化锌压电薄膜的压电系数最高为170 pm/V）。将这种高性能掺杂氧化锌压电薄膜应用到硅微压电传声器、薄膜体声波谐振器、压电微机械超声换能器、MEMS水听器等器件中可大大提高这些器件的性能，推动这些器件在移动通讯、医用超声成像、水下目标探测等方面的应用。
本研究获得汪承灏院士的指导，以及国家自然科学基金（No.11874388, No.11474304）和中科院前沿科学重点研究项目（No. QYZDY-SSW-JSC007）资助。
图1 不同高温退火工艺制备的ZnO:V 薄膜的X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）谱图（图/中科院声学所）
图2 不同退火工艺得到的典型压电测试曲线（图/中科院声学所）
关键词：
掺钒ZnO薄膜；压电；溶胶-凝胶法
参考文献：
FAN Qingqing, LI Dongning, LI Junhong, WANG Chenghao. Structure and piezoelectricity properties of V-doped ZnO thin films fabricated by sol-gel method. Journal of Alloys and Compounds, 829(2020) 154483. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154483.
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