1、非晶碳膜的压阻效应非晶碳膜的压阻效应From： 郭郭 鹏鹏Date：2013-10-12中科院海洋重点实验室学术交流活动中科院海洋重点实验室学术交流活动提纲压阻效应背景1DLC的压阻效应2DLC压阻应用探索举例3展 望41一 压阻效应背景1.什么是压阻效应？压阻效应（压阻效应（狭义狭义）：）：是指当半导是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现率的变化，使其电阻率发生变化的现象。象。压阻效应已经被广泛应用于各种半导压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的体材料制作而成的传感传感器中，器中，形成形成商商品化产品品化产品，比如
2、：，比如：压力压力传感传感器及加速器及加速度度传感器。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1856年William Thomson (Lord Kelvin)发现铁铜材料拉长后的电阻变化1932年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Bardeen和Shockley预测在单晶半导体中会有明显的压阻特性Proc IEEE Inst Electr Electron Eng. 2009 ; 97(3): 513552. C. S. Smith在硅和锗中测的了巨大的压阻效应。20世纪50年代末期1958年，Kulite Semico
3、nductor公司是Bell实验室压阻专利的第一个授权使用者3背景4.压阻效应研究的重要物理概念u1. 对于结构均匀的材料，其电阻对于结构均匀的材料，其电阻 其中其中l为式样为式样长度，长度，a为式样平均截面积，为式样平均截面积， 为材料的电阻率。为材料的电阻率。 电阻电阻R随应力变化，主要在于电阻是随应力变化，主要在于电阻是形貌与电阻率形貌与电阻率的函数，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。比如纵向拉长会使其截面积按照材料的泊松比减小。u2. gauge factor (GF)定义为定义为lR =aR /G F =RR= (12)R4二二 DLC的压阻效应I.为什么要研究为
4、什么要研究DLC的压阻效应？的压阻效应？u金属体系金属体系： g值较小值较小0.83.0 ，不需掺杂，不需掺杂uSi，Ge体系体系：g值可达值可达177 ，有方向性，有方向性uGexSi1-x （x=0.010.05）在低温在低温（T50k）会出现巨压阻效应（会出现巨压阻效应（1）uZnO，TiO2 ，ITO体系体系：柔性聚苯乙烯基底表面加入锑掺杂的柔性聚苯乙烯基底表面加入锑掺杂的ZnO，纵向压阻系数为纵向压阻系数为350 （2）u橡胶体系橡胶体系： 炭黑作为导电相，硅橡胶作为基体材料，具有压电特性（炭黑作为导电相，硅橡胶作为基体材料，具有压电特性（3）u其他其他： SiC， Nanowire
5、s， TaN-Cu， GaN，分子有机半导体，水泥，分子有机半导体，水泥基复合材料体系基复合材料体系（1） Materials Science in Semiconductor Processing, 2005. 8(1-3): p. 193-196.（2）Applied Physics Letters, 2010. 97(22): p. 223107.（3）Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 2011. 26(3): p. 443-448.5DLCother压阻特性材料uCNTs：g值可达值可达2900（2）u
6、Diamond：单晶金刚石与多晶金刚石的单晶金刚石与多晶金刚石的g值分别为值分别为20003836和和 (10100 ) (1)uGraphene： CVD在在Ni/Cu膜上制备，应变为膜上制备，应变为1%时，其时，其g值值6.1（3），机械剥离的石墨烯，机械剥离的石墨烯g为为1.9（4），实验测得），实验测得g150。与。与CNT相比，石墨烯的相比，石墨烯的2D结构，平面处理工艺简单（结构，平面处理工艺简单（5）u C纤维：纤维：压力感应范围可以根据压力感应范围可以根据C纤维的形状与尺寸分布不同而纤维的形状与尺寸分布不同而得以扩大得以扩大（1）Proc IEEE Inst Electr El
7、ectron 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
8、 Structures, 2011. 29(6): p. 06FE01.6DLC优势u 压阻因子压阻因子G高，高，1000 u生产成本低，生产成本低，工艺简单工艺简单u 宽带隙，宽带隙， 高硬度高硬度u摩擦性能优异，摩擦性能优异，恶劣环境稳定恶劣环境稳定u直接沉积，直接沉积，不需贴片，不需贴片，精度高精度高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。化，因而电阻率改变。单轴拉伸或压缩：单轴拉伸或压缩：p当晶体某一个方向拉伸或压缩，压阻效应与外力方向，电流方当晶体某一个方向拉伸或压缩，压
9、阻效应与外力方向，电流方向以及材料的能带结构有关，表现出各向异性向以及材料的能带结构有关，表现出各向异性。p Si的等能面是极值沿的等能面是极值沿方向的方向的六个旋转球，如图。设沿六个旋转球，如图。设沿100方向施加压方向施加压缩应力缩应力T（T1II. 键，键，键定域化：以键定域化：以S态（态（ 键键）为例，相互作用为为例，相互作用为V V，带宽为，带宽为 B=2zV。但是。但是对于对于键，与相互作用的取向键，与相互作用的取向性有关，导致性有关，导致V/B很大，很大， 电子出现定域化。电子出现定域化。III.缺陷，以及团簇：在缺陷，以及团簇：在midgape引入定域态引入定域态DLC定域态电
10、子12 J.Robertson, Materials Science and Engineering R, 37 (2002) 153.I.禁带中还有定域态（局域态）禁带中还有定域态（局域态） ，靠近带尾部分也是，靠近带尾部分也是定域态，称为带尾态。定域态，称为带尾态。II.非晶碳非晶碳键定域化：键定域化：起源于二面角的无序性，因而定域起源于二面角的无序性，因而定域态远大于态远大于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，不受定域态影响电子态密度决定，不受定域态影响1 Thin Solid Films, 2007.
11、 515(20-21): p. 8028-8033.2 J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S77S82 模型模型：参照参照thick film resistor（TFR）模型，）模型， 导电导电sp2団簇分団簇分布在不导电的布在不导电的sp3基质中基质中2 dG =d-sp2団簇距离団簇距离 -定域化长度定域化长度DLC压阻机理模型？13Ni催化类石墨结构，以及金属团聚(1)14Me-DLC压阻机理？1Diamond Relat. Mater.25 (2012) 502Materials Science Forum Vols. 638-642W团簇距离变化(2
12、)2009Tibrewala等获得等获得G值高达值高达1000 的的a-C:H 膜，但同时具有膜，但同时具有较大较大的的TCR值值（1，2）1 Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.2 Thin Solid Films 515 (2007)8028.Guenter Schultes， Ralf Koppert等制备等制备Ni:a-C:H 膜，膜，G值约为值约为12， 在在80400 K范围范围TCR近似为近似为0（3-6）Takeshi Ohno， Toshiyuki Takagi等等研究了研究了W-DLC，获，获得了得了较低的较低的TCR和和G值值（7-11）Mir
13、jana Petersen等人等人系统研究了系统研究了Ag, Ni, Ti, W掺杂的非晶碳膜，掺杂的非晶碳膜，只有只有Ni掺杂获得近似掺杂获得近似为为0的的TCR（12）R. Gudaitis , . Mekins研究了研究了Cr掺杂的非晶碳膜，掺杂的非晶碳膜，在在Cr/C约为约为0.2时，时，TCR近似为近似为0，G值约为值约为2（13）3 Solid State Sciences 11 (10) (2009) 17974 Diamond Relat. Mater.25 (2012) 505 (Ni:a-C:H) furDrucksensoren, Ph.D. Thesis, Saarla
14、nd University, 2010.6 Diamond Relat. Mater.26 (2012) 507 INT J APPL ELECTROM 28(2008) 211 8 Diamond Relat. Mater.17 (2008) 713 9 Mater. Sci. Forum,638-642(2010)210310 INT J APPL ELECTROM 33 (2010) 66511Diamond Relat. Mater.20 (2011) 65112 Diamond Relat. Mater.20 (2011) 81413 Surf. Coat. Technol.211
15、(2012) 80DLC压阻效应总体研究进展15研究进展1：高TCR，高g纯碳膜 a-C与a-C：H对比161 Appl. Surf. Sci. 252 (2006)5387.2 Thin Solid Films 515 (2007)8028.g：1001200g：3746 a-C：H横与纵向g值增大增大sp3含量，减小含量，减小sp2团簇尺寸，有团簇尺寸，有利于增大利于增大g值值g值与方向，构造无关值与方向，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：技术手段：PECVD复复合合MS研究进展2：低TCR，低g金属Ni掺杂碳膜18Ni含量超过含量超过75 .at%，具有金属
16、特性具有金属特性50 .at%对应对应g约约12，TCR0（90k400k）19研究进展3：低含量Cr掺杂碳膜TCR降低，需要降低降低，需要降低sp3含量，含量，增大石墨团簇的尺寸增大石墨团簇的尺寸Cr金属掺杂含量约金属掺杂含量约20 at.%glog（R）关系（渗流理论？）关系（渗流理论？）研究进展3：测试方法（四点法）20Lund, E. and T.G. Finstad, Design and construction of a four-point bending based set-up for measurement of piezoresistance in semiconduc
17、tors.Review of Scientific Instruments, 2004. 75(11): p. 4960.三 DLC压阻应用探索举例 Title：Pressure sensitivity of piezoresistive nickelcarbon Ni:a-C:H thin filmsI.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Sensors and Actuators A 193 (2013) 12913521应用探索1. GF与TCR测定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1.2.3.4.22主要问题机理解释不完备通过金属掺杂：降低膜应力，降低通过金属掺杂：降低膜应力，降低TCR值，同时获得较大值，同时获得较大的的GF值，改善导电性。并对值，改善导电性。并对Me-DLC的压阻机理进行解释的压阻机理进行解释主要模型：主要模型：导电相弥散导电相弥散于无定形介于无定形介电网络结构。电网络结构。23四 展望
