Download 非晶碳膜的压阻效应 - 浙江省海洋材料与防护技术重点实验室

Survey
yes no Was this document useful for you?
   Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project

Document related concepts
no text concepts found
Transcript
中科院海洋重点实验室学术交流活动
非晶碳膜的压阻效应
From: 郭 鹏
Date:2013-10-12
提纲
1
压阻效应背景
2
DLC的压阻效应
3
DLC压阻应用探索举例
4
1
展
望
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。
 2. 压阻效应的应用?
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
2
度传感器。
背景
 3.压阻效应的主要研究进展
William Thomson
(Lord Kelvin)发现
铁铜材料拉长后的
电阻变化
Bardeen和
Shockley预测在单
晶半导体中会有明
显的压阻特性
1932年
20世纪50年代末期
C. S. Smith在硅
和锗中测的了巨
大的压阻效应。
1856年
3
Allen第一次测量了
单晶铋,锑,镉,
锌和锡中不同取向
的应变电导率关系。
1950年
Proc IEEE Inst Electr Electron Eng. 2009 ; 97(3): 513–552.
1958年,Kulite
Semiconductor公
司是Bell实验室压
阻专利的第一个授
权使用者
背景
 4.压阻效应研究的重要物理概念
l
R=
a 其中l为式样
 1. 对于结构均匀的材料,其电阻
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. gauge factor (GF)定义为
GF=
4
R / R

R

=(1  2 ) 
R

二 DLC的压阻效应
I. 为什么要研究DLC的压阻效应?
 金属体系: g值较小0.8~3.0 ,不需掺杂
other
DLC
 Si,Ge体系:g值可达177 ,有方向性
 GexSi1-x (x=0.01~0.05)在低温(T<50k)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
5
泥基复合材料体系
(1) Materials Science in Semiconductor Processing, 2005. 8(1-3): p. 193-196.
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2000~3836
和 (10~100 ) (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g~150。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
6
(1)Proc IEEE Inst Electr Electron Eng, 2009. 97(3): p. 513-552.
(2)Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2011. 29(6): p. 06FE01.
(3) Nano Lett, 2010. 10(2): p. 490-3.
(4) Nano Lett, 2011. 11(3): p. 1241-6.
(5)Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2011. 29(6): p. 06FE01.
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
 压阻因子
G高,1000
和防护作用的智能涂层
(smart washer)
 宽带隙,
高硬度
生产成本低,
工艺简单
直接沉积,
不需贴片,
精度高
摩擦性能优异,
恶劣环境稳定
7
Surface & Coatings Technology 211
(2012) 172–175
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。
[001]
 Si的等能面是极值沿<100>方向的
六个旋转球,如图。设沿[100]方向施加压
缩应力T(T<0),则[100]方向被压缩,
T
晶格间距减小,而Si的禁
带宽度随压强增大而减小,故极值能量
8
降低,而[010]方向和[001]方向极
值升高。
Z
[010]
Y
X
T
[100]
在应力作用下的Si等能面
变化示意图(红色代表力
作用后的等能面)《半导
体物理学》刘恩科
E
半导体的压阻机理

由于[100]方向极值降低,[010]方向
和[001]方向极值升高,电子要占据低
[100]
K
E
(a)
[010]
能量态,向[100]发生转移。

(a)表示无应力时[100]方向和[010]
的两个能谷;(b)表示[100]能谷降
低了△E和[010]能谷升高了△E,引
△E
△E
[100]
K
E
(b)
[010]
[100]
K
(c)
[010]
起电子转移;(c)转移结果是[100]
能谷中电子增多而[010]能谷中电子数
减少,导致电导率变化。
9
DLC的电子结构
I.
II.
晶体:电子在整个晶体中运动,为扩展态
非晶体:无长程有序性,对电子势强烈散射,波函数没有布洛赫函
数形式,存在衰减,出现了定域化
定域态特点:
对某一给定能量E(此时
波矢K无意义),波函数
限制在空间小区域,随距
离r指数衰减
扩展态(a)与定域态(b)
《非晶态半导体物理学》,何宇亮等
DLC定域态电子
I.
定域态(局域态)的准则:
ΔV/B>1
II. σ键,π键定域化:以S态(
σ键)为例,相互作用为V
±ΔV,带宽为 B=2zV。但是
对于π键,与相互作用的取向
性有关,导致ΔV/B很大, π
电子出现定域化。
[1] J. Robertson, Diamond Relat. Mater. 6 (1997) 7.
11
III. 缺陷,以及团簇:在midgape
引入定域态
DLC定域态电子
I.
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。
II.
非晶碳π键定域化:起源于二面角的无序性,因而定域
态远大于a-Si。
III. 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
12
J.Robertson, Materials Science and Engineering R, 37 (2002) 153.
DLC压阻机理模型?
模型:参照thick film resistor
(TFR)模型, 导电sp2団簇分
布在不导电的sp3基质中
13
G=
2d d-sp2団簇距离

-定域化长度
[1] Thin Solid Films, 2007. 515(20-21): p. 8028-8033.
[2] J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S77–S82
Me-DLC压阻机理?
•
Ni催化类石墨结构,以及金属团聚(1)
14
•
W团簇距离变化(2)
[1]Diamond Relat. Mater.25 (2012) 50
[2]Materials Science Forum Vols. 638-642
DLC压阻效应总体研究进展
[3] Solid State Sciences 11 (10) (2009) 1797
[4] Diamond Relat. Mater.25 (2012) 50
[5] (Ni:a-C:H) furDrucksensoren, Ph.D. Thesis, Saarland
University, 2010.
[6] Diamond Relat. Mater.26 (2012) 50
Guenter Schultes, Ralf Koppert等制备
Ni:a-C:H 膜,G值约为12, 在80–400 K
范围TCR近似为0(3-6)
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)
2009
[1] Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.
[2] Thin Solid Films 515 (2007)8028.
2006
R. Gudaitis , Š. Meškins
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) 2012
15
[13] Surf. Coat. Technol.211 (2012) 80
2010
Takeshi Ohno,
Toshiyuki Takagi等
研究了W-DLC,获
得了较低的TCR和
G值(7-11)
[7] INT J APPL ELECTROM 28(2008) 211
[8] Diamond Relat. Mater.17 (2008) 713
[9] Mater. Sci. Forum,638-642(2010)2103
[10] INT J APPL ELECTROM 33 (2010) 665
[11]Diamond Relat. Mater.20 (2011) 651
2011
Mirjana Petersen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)
[12] Diamond Relat. Mater.20 (2011) 814
研究进展1:高TCR,高g纯碳膜
• a-C与a-C:H对比
g:37~46
g:100~1200
• 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
16
[1] Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.
[2] Thin Solid Films 515 (2007)8028.
研究进展1:测试方法(Si微机电加工工艺)
17
研究进展2:低TCR,低g金属Ni掺杂碳膜
Ni含量超过75 .at%,
技术手段:
PECVD复
合MS
18
具有金属特性
50 .at%对应g约12,
TCR~0(90k~400k)
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20 at.%
g~log(R)关系(渗流理论?)
19
研究进展3:测试方法(四点法)
20
Lund, E. and T.G. Finstad, Design and construction of a four-point bending based set-up for measurement of
piezoresistance in semiconductors.Review of Scientific Instruments, 2004. 75(11): p. 4960.
三 DLC压阻应用探索举例
• Title:Pressure sensitivity of piezoresistive
nickel–carbon Ni:a-C:H thin films
I. 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
II.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。测定材料的压阻因子与TCR
 在水静压条件下测定材料的电阻变化
21
Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135
应用探索
2.
4.
1. GF与TCR测定
3.
1.
2. GF测试与液压作用条件差别
3. 液压变化测试示意图,获得PCR值,即材料的电阻随压
力的变化系数
4. 结果
22
四 展望
内应力大
主要问题
机理解释
不完备
主要模型:
导电相弥散
于无定形介
电网络结构。
TCR大,
温度敏感
23
通过金属掺杂:降低膜应力,降低TCR值,同时获得较大
的GF值,改善导电性。并对Me-DLC的压阻机理进行解释
Related documents