压阻效应-浙江海洋材料与防护技术重点室PPT幻灯片课件.ppt

,非晶碳膜的压阻效应,From：郭鹏Date：2013-10-12,中科院海洋重点实验室学术交流活动,提纲,1,一压阻效应背景,1.什么是压阻效应？,压阻效应（狭义）：是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。,压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的传感器中，形成商品化产品，比如：压力传感器及加速度传感器。,2.压阻效应的应用？,2,背景,3.压阻效应的主要研究进展,ProcIEEEInstElectrElectronEng.2009;97(3):513552.,C.S.Smith在硅和锗中测的了巨大的压阻效应。,3,Newmaterial？,背景,4.压阻效应研究的重要物理概念,1.对于结构均匀的材料，其电阻其中l为式样长度，a为式样平均截面积，为材料的电阻率。电阻R随应力变化，主要在于电阻是形貌与电阻率的函数，比如纵向拉长会使其截面积按照材料的泊松比减小。2.gaugefactor(GF)定义为,4,二DLC的压阻效应,为什么要研究DLC的压阻效应？金属体系：g值较小0.83.0，不需掺杂Si，Ge体系：g值可达177，有方向性GexSi1-x（x=0.010.05）在低温（T50k）会出现巨压阻效应（1）ZnO，TiO2，ITO体系：柔性聚苯乙烯基底表面加入锑掺杂的ZnO，纵向压阻系数为350（2）橡胶体系：炭黑作为导电相，硅橡胶作为基体材料，具有压电特性（3）其他：SiC，Nanowires，TaN-Cu，GaN，分子有机半导体，水泥基复合材料体系（1）MaterialsScienceinSemiconductorProcessing,2005.8(1-3):p.193-196.（2）AppliedPhysicsLetters,2010.97(22):p.223107.（3）JournalofWuhanUniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.,2011.26(3):p.443-448.,5,DLC,other,压阻特性材料,CNTs：g值可达2900（2）Diamond：单晶金刚石与多晶金刚石的g值分别为20003836和(10100)(1)Graphene：CVD在Ni/Cu膜上制备，应变为1%时，其g值6.1（3），机械剥离的石墨烯g为1.9（4），实验测得g150。与CNT相比，石墨烯的2D结构，平面处理工艺简单（5）C纤维：压力感应范围可以根据C纤维的形状与尺寸分布不同而得以扩大（1）ProcIEEEInstElectrElectronEng,2009.97(3):p.513-552.（2）JournalofVacuumScience&TechnologyB:MicroelectronicsandNanometerStructures,2011.29(6):p.06FE01.(3)NanoLett,2010.10(2):p.490-3.(4)NanoLett,2011.11(3):p.1241-6.（5）JournalofVacuumScience&TechnologyB:MicroelectronicsandNanometerStructures,2011.29(6):p.06FE01.,6,DLC优势,可用于恶劣环境，重载荷下的特殊传感器构造具有传感功能和防护作用的智能涂层（smartwasher）,Surface&CoatingsTechnology211(2012)172175,WhyDLC,7,压阻机理：DLC=半导体？,半导体的压阻机理对半导体施加应力时，除形变外，能带结构也要变化，因而电阻率改变。单轴拉伸或压缩：当晶体某一个方向拉伸或压缩，压阻效应与外力方向，电流方向以及材料的能带结构有关，表现出各向异性。Si的等能面是极值沿方向的六个旋转球，如图。设沿100方向施加压缩应力T（T1键，键定域化：以S态（键）为例，相互作用为VV，带宽为B=2zV。但是对于键，与相互作用的取向性有关，导致V/B很大，电子出现定域化。缺陷，以及团簇：在midgape引入定域态,DLC定域态电子,12,J.Robertson,MaterialsScienceandEngineeringR,37(2002)153.,禁带中还有定域态（局域态），靠近带尾部分也是定域态，称为带尾态。非晶碳键定域化：起源于二面角的无序性，因而定域态远大于a-Si。电学性能取决于材料的迁移率边，而光学吸收则为电子态密度决定，不受定域态影响,1ThinSolidFilms,2007.515(20-21):p.8028-8033.2J.Micromech.Microeng.17(2007)S77S82,模型：参照thickfilmresistor（TFR）模型，导电sp2団簇分布在不导电的sp3基质中,d-sp2団簇距离-定域化长度,DLC压阻机理模型？,13,Ni催化类石墨结构，以及金属团聚(1),14,Me-DLC压阻机理？,1DiamondRelat.Mater.25(2012)502MaterialsScienceForumVols.638-642,W团簇距离变化(2),Tibrewala等获得G值高达1000的a-C:H膜，但同时具有较大的TCR值（1，2）1Appl.Surf.Sci.252(2006)5387.2ThinSolidFilms515(2007)8028.,GuenterSchultes，RalfKoppert等制备Ni:a-C:H膜，G值约为12，在80400K范围TCR近似为0（3-6）,TakeshiOhno，ToshiyukiTakagi等研究了W-DLC，获得了较低的TCR和G值（7-11）,MirjanaPetersen等人系统研究了Ag,Ni,Ti,W掺杂的非晶碳膜，只有Ni掺杂获得近似为0的TCR（12）,R.Gudaitis,.Mekins研究了Cr掺杂的非晶碳膜，在Cr/C约为0.2时，TCR近似为0，G值约为2（13）,3SolidStateSciences11(10)(2009)17974DiamondRelat.Mater.25(2012)505(Ni:a-C:H)furDrucksensoren,Ph.D.Thesis,SaarlandUniversity,2010.6DiamondRelat.Mater.26(2012)50,7INTJAPPLELECTROM28(2008)2118DiamondRelat.Mater.17(2008)7139Mater.Sci.Forum,638-642(2010)210310INTJAPPLELECTROM33(2010)66511DiamondRelat.Mater.20(2011)651,12DiamondRelat.Mater.20(2011)814,13Surf.Coat.Technol.211(2012)80,DLC压阻效应总体研究进展,15,1999Discovery,研究进展1：高TCR，高g纯碳膜,a-C与a-C：H对比,16,1Appl.Surf.Sci.252(2006)5387.2ThinSolidFilms515(2007)8028.,g：1001200,g：3746,a-C：H横与纵向g值,增大sp3含量，减小sp2团簇尺寸，有利于增大g值g值与方向，构造无关,研究进展1：测试方法（Si微机电加工工艺）,17,技术手段：PECVD复合MS,研究进展2：低TCR，低g金属Ni掺杂碳膜,18,Ni含量超过75.at%，具有金属特性50.at%对应g约12，TCR0（90k400k）,19,研究进展3：低含量Cr掺杂碳膜,TCR降低，需要降低sp3含量，增大石墨团簇的尺寸Cr金属掺杂含量约20at.%glog（R）关系（渗流理论？）,研究进展3：测试方法（四点法）,20,Lund,E.andT.G.Finstad,Designandconstructionofafour-pointbendingbasedset-upformeasurementofpiezoresistanceinsemiconductors.ReviewofScientificInstruments,2004.75(11):p.4960.,三DLC压阻应用探索举例,Title：PressuresensitivityofpiezoresistivenickelcarbonNi:a-C:Hthinfilms研究目的：解决水力系统中，水压的测试响应问题，改善伺服系统的响应特性研究方法：不导电基地（Al2O3，含有SiO2层的Si片）上沉积Ni掺杂DLCH薄膜，并制备电极。测定材料