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ZnO压电薄膜谐振器及BYFO多铁体研究

言智  
【摘要】: 现代检测技术要求传感器微型化、单元化、集成化;对于生物传感器,微量、高灵敏和特异性检测是其发展方向。传统的石英晶体微天平受本身厚度和面积的限制,难以获得高谐振频率和高灵敏度。由此,探索新型压电薄膜谐振器来替代传统石英晶体微天平成为目前生物传感器研究领域的热点。基于此,本课题开展了硅基ZnO薄膜谐振器的制备、性能及其生物检测应用的研究,获得了以下主要结果: 采用多靶磁控溅射的方法制备了ZnO基薄膜体声波谐振器。它由压电单元(Au/ZnO/Pt)和Bragg反射层(ZnO/Pt多层结构)组成。在制备过程中,气体流量比和沉积时基底的温度都被调节为优化值,使制备出的ZnO薄膜具有很强的c轴取向。采用优化的沉积条件,制备出薄膜体声波谐振器(FBAR)。器件各层致密均匀并都具有良好的结晶和织构生长方式。对各层间取向偏差的变化进行研究,发现随着薄膜厚度增加或者堆拓层数增加,ZnO层的取向偏差度有轻微下降。尽管堆垛了许多层,其最外层ZnO的表面粗糙度仅为7 nm。经透射电镜观察,发现薄膜各层间的界面很平整,Pt与ZnO之间没有扩散,并从选区电子衍射谱看到ZnO(002)晶面沿着Pt(111)晶面生长的关系。这些都对谐振器的性能优劣有决定性作用。 首次采用离子束辅助沉积的方法,实现了ZnO薄膜的p型掺杂。对ZnO薄膜的光学和电学性能进行了研究,发现经过400℃退火后,薄膜的透光性能得到提高。霍尔测试表明ZnO薄膜是p型。对p型ZnO薄膜的光电效应也进行了研究,在紫外光照射下其导电性能提高了600倍。 设计出适合微波标准测试的一系列电极,摸索出一套适合ZnO基器件的光刻工艺。经过一系列性能测试表征,发现材料的结构、电学、力学性能均十分优良,适用于谐振器件。正因为这些品质好的薄膜层,谐振器拥有良好的谐振性,振频率为4.01 GHz。采用微波Ansoft仿真软件,结合压电谐振的一般公式,对制备的薄膜谐振器进行了模拟,仿真的结果同我们实验测得结果吻合。改变压电层厚度、电极厚度、BVD模型中的参数,发现:随着压电层或电极层厚度的增加,以及BVD模型中C_1和L_1参数的增加,薄膜谐振器的谐振频率逐渐降低。对其他材料体系也进行了相应的模拟。这些模拟结果为压电薄膜谐振器的设计和应用提供了参考。 使用ZnO薄膜谐振器进行微质量传感检测。通过沉积厚度不同的顶电极和一系列生物点样实验,我们发现器件谐振频率按照质量加载效应而发生变化。这证明了薄膜谐振器可以开发作为一种用于蛋白质检测的新器件。此外,为了使检测的微生物体质量变化更加显著,在生物点样的过程中采用了“三明治”夹心结构的技术。利用Sauerbrey方程,计算出接合固化生物体的质量和经过耦合匹配的蛋白质的质量。实验测得的生物传感器的灵敏度为8.97 kHz·cm~2/ng,这大约为传统的20 MHz石英微天平的8000倍,也是相关文献报道的数倍,由此可见,薄膜谐振器具有很大的替代QCM的潜在优势。 首次应用快速液相烧结法,使用稀土元素Yb替代BiFeO_3组份中的Bi~(3+)离子,获得了更高品质的多铁材料Bi_(1-x)Yb_xFeO_3(x=0-0.2),改变了其铁电结构空间构型,抑制了导电的空位缺陷,降低了漏电流,提高了铁电性能。


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