ZnO陶瓷及其應(yīng)用

ZnO陶瓷及其應(yīng)用2023/2/31ZnO陶瓷及應(yīng)用第四組材料1301班壓敏陶瓷介紹2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用2壓敏陶瓷或稱壓敏變阻器，指對電壓變化敏感的非線性電阻陶瓷（即電阻值與外加電壓成顯著的非線性關(guān)系），其伏安特性曲線如圖。當(dāng)電壓低于某一臨界值時，壓敏陶瓷的阻值非常高，幾乎為一絕緣體，當(dāng)電壓超過這一臨界值時，電阻值急劇減小，接近于導(dǎo)體。2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用3從1931年日本將SiC用來吸收雷擊突波以來，已經(jīng)出現(xiàn)了多種壓敏陶瓷電阻器的應(yīng)用，如有線電話交換機用它消除電火花、硅整流器、彩色電視機用它吸收異常電壓、微型電動機用它來吸收噪聲及對電機進(jìn)行過壓保護(hù)和繼電保護(hù)等制造壓敏半導(dǎo)體陶瓷材料有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。其中BaTiO3、Fe2O3利用的是電極與燒結(jié)體界面的非歐姆型，而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非歐姆特性。目前應(yīng)用最廣、性能最好的是ZnO壓敏半導(dǎo)體陶瓷。2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用4各種變阻器特性比較可見ZnO遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料ZnO簡介2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用5歷史起源結(jié)構(gòu)性能制備應(yīng)用：（壓敏陶瓷、摻雜半導(dǎo)體）前景歷史起源2023/2/36ZnO陶瓷及應(yīng)用人類很早便學(xué)會了使用氧化鋅作涂料或外用醫(yī)藥，但是人類發(fā)現(xiàn)氧化鋅的歷史難以追溯。氧化鋅在古代和近代的另一主要用途是涂料，稱為鋅白。在20世紀(jì)后半葉，氧化鋅多用在了橡膠工業(yè)。在20世紀(jì)70年代，氧化鋅的第二大用途是是復(fù)印紙?zhí)砑觿，F(xiàn)在，晶粒微小的氧化鋅開始在納米材料領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用范圍結(jié)構(gòu)ZnO的晶體結(jié)構(gòu)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，其中氧離子以六方密堆積排列，鋅離子占據(jù)了一半四面體間隙。也有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，以及比較罕見的氯化鈉式八面體結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)在三者中穩(wěn)定性最高，最常見2023/2/37ZnO陶瓷及應(yīng)用O2-Zn2+結(jié)構(gòu)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用8ZnO的能帶結(jié)構(gòu)ZnO的能帶由O2-滿的2p能級和Zn2+空的4s能級所組成的。當(dāng)離子相互靠近而形成晶體時，這些能級就形成能帶。滿的2p和空的4s之間的禁帶寬度約為3.2~3.4eV。從禁帶寬度看，室溫下ZnO應(yīng)是一絕緣體。（禁帶寬度是指一個帶隙寬度(單位是電子伏特（eV))，固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶（能導(dǎo)電），被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。絕緣體的禁帶寬度一般很寬，

約為3~6eV，半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，約為0.1~2eV。）半導(dǎo)體化ZnO的半導(dǎo)體化有三種情況。1.由于本證缺陷。ZnO晶格結(jié)構(gòu)間隙大，晶格中的Zn很容易脫離原來的位置進(jìn)入間隙位置，形成Zn空位。

2023/2/39ZnO陶瓷及應(yīng)用2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用102.強制還原。在高溫低氧分壓下ZnO發(fā)生分解。分解可以形成間隙Zn離子，也可以形成氧空位。半導(dǎo)體化半導(dǎo)體化2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用113.摻雜。若引入高價陽離子，如Al3+，Cr3+，Ga3+，In3+等，這些陽離子在ZnO中形成施主中心。若摻入低價金屬離子，如Li+，Cu+，Ag+等，在氧化氣氛，Li+置換Zn2+形成受主電導(dǎo)。這種摻雜與氣氛有關(guān)，如果在還原氣氛中，Li2O的摻雜也可以形成施主電導(dǎo)。ZnO壓敏瓷的制備2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用12ZnO壓敏陶瓷通常是在ZnO中加入Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr、Si等金屬氧化物，按典型粉末工藝制造，燒結(jié)后進(jìn)行涂Ag等工序。主要的制備方法為摻雜。摻雜可用機械混合的方法，也可用化學(xué)方法。同時摻雜制ZnO半導(dǎo)體還可以制造有關(guān)熱電材料的半導(dǎo)體。ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用13ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用14非線性系數(shù)圖中在大于Jb的某一電流范圍內(nèi)，J和E的對數(shù)之間近似于直線關(guān)系。用方程lgJ=αlgE-A表示，另A=αlgC，這J=（E/C）α（J為電流密度，E為電場強度，C為常數(shù)）α為直線的斜率，α越大，直線越陡，電阻的非線性特性越強，因此將α成為“非線性系數(shù)”。ZnO壓敏電阻器I-V曲線ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用15一般來說在一定幾何形狀下，電流在1mA附近的α的值最大，因此常取與1mA電流對應(yīng)的電壓為“壓敏電壓”，記為V1mA。此外，非線性系數(shù)還和溫度有關(guān)。（77K相較298K的峰值升高且提前。）α值與電流的關(guān)系ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用16C值（對照與電阻）定義：當(dāng)變阻器上流過1mA/cm2電流時，在每毫米上的電壓降為該壓敏電阻的C值在α一定時，C越大，一定電流下所對應(yīng)的電壓值越高，因此常稱為“非線性電阻”又因為它取決于材料的成分。結(jié)構(gòu)和制造工藝，所以又常稱為“材料常數(shù)”ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用17漏電流壓敏電阻正常工作時流過的電流叫“漏電流”，與與電壓和溫度有關(guān)。要使壓敏電阻器正?？煽康毓ぷ鳎╇婋娏鞅仨毐M可能小。一般來說可控制在50微安到100微安之間。在選擇壓敏電阻的工作電壓時，必須根據(jù)允許的漏電流值。ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用18電壓溫度系數(shù)定義：在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化一度，零功率條件下測得的壓敏電壓的相對變化率叫壓敏電壓的溫度系數(shù)。用來描述壓敏電阻隨著溫度的上升，壓敏電壓下降的變化關(guān)系。ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用19流通容量（或稱流通能力或通流量）。壓敏電阻經(jīng)過持續(xù)交、直流負(fù)載和高浪涌電流（浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流）的沖擊后，I-V特性會發(fā)生蛻變現(xiàn)象。這種蛻變，也稱壓敏電阻的老化。對于實際應(yīng)用來說這種老化是不允許的。因此必須對經(jīng)高浪涌電流沖擊后的V1mA下降有所限制，并把下降多少作為衡量壓敏電阻承受高浪涌電流沖擊能力的尺度。把滿足V1mA下降要求的壓敏電阻所能承受的某一波形的最大沖擊電流叫做壓敏電阻器的“通流容量”。通流容量一方面給取決于沖擊電流的峰值，一方面取決于沖擊電流的持續(xù)時間，即取決于消耗的能量。ZnO壓敏電阻的主要電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用20ZnO和SiC兩種變阻器的特性比較。ZnO和SiC變阻器的特性壓敏變阻器的應(yīng)用2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用21壓敏變阻器廣泛地用作過壓保護(hù)，高能流涌吸收，高壓穩(wěn)壓等方面。舉例1、過壓保護(hù)正常工作時，壓敏電阻兩端電壓較小，壓敏電阻阻值較大，所產(chǎn)生的漏流很小。壓敏電阻異常情況發(fā)生時2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用22舉例2、穩(wěn)壓方面由于壓敏變阻器有高的非線性I-V特性，所以負(fù)載兩端電壓的少許變化就會使流經(jīng)壓敏變阻器的電流Iv產(chǎn)生很大的變化，從而使電壓增量幾乎全在R0，上的壓降所補償。（猜測：穩(wěn)壓應(yīng)用的應(yīng)該始終處于擊穿狀態(tài)）壓敏變阻器穩(wěn)壓線路原理圖壓敏變阻器的應(yīng)用2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用23ZnO前景展望ZnO前景展望2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用24在一篇研究生論文中發(fā)現(xiàn)這個例子ZnO前景展望2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用25最近發(fā)展了以某些過渡族元素氧化物和稀土氧化物為主要添加劑的氧化鋅壓敏電阻器。表現(xiàn)出能量吸收容量大，在大電流時的非線性好，響應(yīng)時間快，壽命長擊穿電壓大于200V/mm等特性。適用于做高壓電站的浪涌放電器?？梢娧趸\壓敏陶瓷的應(yīng)用還是十分廣闊的ZnO熱電材料2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用26應(yīng)用背景能源短缺與生態(tài)、環(huán)護(hù)問題越來越深刻影響著人類的生活與發(fā)展推動了熱電材料的研究。2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用2721世紀(jì)的世界，人口增多成為社會一大主要問題，加之石油等礦物燃料供應(yīng)減少，全球石油等資源的需求量增多同石油資源的供給之間的矛盾日益突出。熱電效應(yīng)，涉及熱能和電能之間轉(zhuǎn)換，并提供方法用于加熱和冷卻材料，有望在滿足能源的未來挑戰(zhàn)中發(fā)揮著越來越重的作用。所以研究熱電轉(zhuǎn)換相關(guān)的材料具有重要意義應(yīng)用背景2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用28應(yīng)用背景能源短缺與生態(tài)、環(huán)護(hù)問題越來越深刻影響著人類的生活與發(fā)展推動了熱電材料的研究。應(yīng)用背景2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用29下圖為加侖汽油在汽車上的應(yīng)用分布：33%的能來用于汽車驅(qū)動，33%以廢熱的形式浪費掉。假設(shè)有熱電材料的熱電優(yōu)值ZT達(dá)到2左右，則其轉(zhuǎn)化效率約為30%左右。即約等于該1加侖（3.785/4.546L）汽油的10%能量又被重新利用。2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用30上海超算中心系統(tǒng)設(shè)備用電參數(shù)超算計算機系統(tǒng)的60%以熱能損耗制冷系統(tǒng)占供電系統(tǒng)的用能為37%整個超算中心80%的能耗以熱能損耗??！熱電材料成為回收低品質(zhì)熱能的最佳材料1.什么是熱電材料熱電材料（也稱溫差電材料，thermoelectricmaterials）是一種利用固體內(nèi)部載流子運動，實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料?！钍裁词菬犭娦?yīng)

熱電效應(yīng)是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，包括Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)。2023/2/331ZnO陶瓷及應(yīng)用熱電材料2023/2/332Seebeck效應(yīng)HeatSourceHeatSinkIPNActiveCoolingHeatRejectionIPN(a)PowerGenerationMode(b)CoolingModePeltier效應(yīng)CroninBV.Semiconductorsarecool.Nature.2001,413:577~578熱電發(fā)電熱電制冷ZnO陶瓷及應(yīng)用熱電器件的工作原理2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用33熱電制冷熱電發(fā)電電子器件散熱以及電子器件低品質(zhì)熱量利用的幾乎沒有，這方面的學(xué)術(shù)研究很少。熱電材料主要應(yīng)用2023/2/334材料熱電性能賽貝克系數(shù)電導(dǎo)率熱導(dǎo)率優(yōu)異熱電性能：Seebeck系數(shù)大電導(dǎo)率高熱導(dǎo)率低ZnO陶瓷及應(yīng)用熱電性能評價HeatSourceー＋P-typeelementN-typeelementCeramic

plateHeatSink熱電器件實物圖2023/2/335熱電材料優(yōu)點無運動部件、無噪聲易于控制、可靠性高容易微型化壽命長、無污染ZnO陶瓷及應(yīng)用熱電材料優(yōu)點如何提高ZT值2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用36ZT=S2σT/κ目前，通過相關(guān)文獻(xiàn)的查閱：

ZT值由量子限制效應(yīng)得到顯著提升（Bi2Te3超晶格量子限制）；

多層的Bi2Te3/Sb2Te3和AgPbSbTe納米結(jié)構(gòu)合金都表現(xiàn)出了非凡的性能，ZT值超過了1.5(650K)。

在改進(jìn)ZT的道路上，有人認(rèn)為可以通過引入納米級的成分，使其帶來量子限制效果，以提高功率因數(shù)S2σ；有人認(rèn)為可以在納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計較多界面以用來使熱導(dǎo)率比電導(dǎo)率減小得更快，從而達(dá)到提高ZT值的效果；它們的不同在于各自的散射長度2023/2/337隨著載流子濃度增加，

σ和κ均增加，α卻減小目標(biāo)：合適的載流子濃度，盡量提高電導(dǎo)率，同時抑制熱導(dǎo)率的增長熱電優(yōu)值α：seebeck系數(shù)σ：電導(dǎo)率（與載流子濃度和遷移率有關(guān)）κ：熱導(dǎo)率（包括聲子熱導(dǎo)和電子熱導(dǎo)）ZnO陶瓷及應(yīng)用熱電材料研究過程中瓶頸σ=neμ

μ=eτ/m*k=ke+kL

摻雜：改變費米能級的位置，優(yōu)化電輸運性能；點缺陷（原子質(zhì)量波動），增強聲子散射低維材料：量子限域效應(yīng)（超晶格等）晶界散射：引入納米結(jié)構(gòu)(納米線生長)增強聲子散射，降低晶格熱導(dǎo)率2023/2/338允許準(zhǔn)獨立的改變S,σ,κZnO陶瓷及應(yīng)用改善熱電性能的途徑傳統(tǒng)3D材料與低維材料中的熱電參數(shù)2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用39

S，σ和κ的大小在傳統(tǒng)的3維晶體的系統(tǒng)中是以相互關(guān)聯(lián)的方式存在的，以至于很難獨立控制這些變量來使ZT值增加，這是因為在通常情況下，增加S將導(dǎo)致σ的下降，而σ的降低將減少電子對κ的貢獻(xiàn)。然而，如果材料的維度發(fā)生降低，長度尺度將作為新變量可用于對材料性能的控制；然后，隨著系統(tǒng)尺寸減小并接近納米尺度時，使得電子態(tài)密度的產(chǎn)生巨大差異，當(dāng)長度尺度小到足以引起量子限制效應(yīng)時，允許準(zhǔn)獨立地改變S，σ和κ。此外，隨著維數(shù)從三維結(jié)晶固體降低到2維（量子阱）、1維（量子線），最后到0維（量子點），將伴隨著新的物理現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些現(xiàn)象也可能創(chuàng)造新的獨立改變S，σ，κ的機會。此外，引入大量的界面，這比電子更有效地散射光子，或在界面濾除低于能壘的低能量電子，這些使得納米結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展伴隨著ZT值的增加，使之適應(yīng)于熱電的應(yīng)用開發(fā)。低維化的熱電材料系統(tǒng)和先進(jìn)的大容量熱電材料,已經(jīng)成為熱電材料研發(fā)的兩個方向。2023/2/340將熱電材料應(yīng)用于電子產(chǎn)品高熱電優(yōu)值透明化低維化Low-costNon-toxicStable(>2000oC)TransparentZnOthinfilm

Largedirectwidebandgap(3.37eV)Largeexcitonbindingenergy(60meV)PropertiesFeaturesZnO陶瓷及應(yīng)用選用Al摻雜ZnO做熱電材料2023/2/341降低Al摻雜含量，控制在2%-9%左右。確保薄膜載流子濃度和透明度。使用掩膜法、強磁場來控制納米線的生長。使其能形成同向柱狀型。達(dá)到提升導(dǎo)電率而降低導(dǎo)熱率，達(dá)到高ZT值。目標(biāo)Picture（a）From“ZnOnanowiresmodifiedwithAunanoparticlesfornonenzymaticamperometricsensingofglucose”ZnO陶瓷及應(yīng)用制備垂直于基面生長的ZnO納米線2023/2/342PrepareZn-Alsinglelayer,Au/Zn&Au/Zn-Albilayerfilms（制備工藝）

Fig.Schematicandequipmentofthermalevaporationquartz0.5mmAulayer10nmZnlayer400nmSubstratetemperature:RTPressure:2.2×10-4PaPurity:Zn,99.99%;Al,99.99%;Au:99.999%Source:Zn350oC;Au,Al:1215oC,1390oC/Zn350oC;Au,1350oC,Al:1030oCquartz0.5mmAulayer10nmZn-Allayer400nmquartz0.5mmZn-Allayer400nmZnO陶瓷及應(yīng)用制備原料與工藝2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用43Zn和Al均采用粒徑約為3mm以及純度為99.99%的顆粒，Au的純度為99.999%.薄膜制備工藝采用分子束氣相沉積裝置真空蒸鍍Au、Zn和Al，工作真空度為2.2×10-4Pa。在完成鍍膜任務(wù)之后，在GSL-1500X進(jìn)行600攝氏度1.5h的保溫?zé)崽幚怼?023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用44StructuresPropertiesCrystalstructureMorphologyCompositionInterfacestructureOpticalRigakudmax2400XRDZeisssupra35SEM,NanosurfnaioAFMOxfordincaEDXHighresolutiontransmissionelectronmicroscopy(HRTEM,JEOLJEM2100)

Perkinelmerlambda750SUv-visspectrophotometerRelationThermoelectric

properties

JapaneseVacuumPolytechnicCompany’sZEM-3

Analysismethods

TheresultsofSEMimages2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用45(b)(a)(c)2μm2μm2μmSEMimagesofthedopedZnOfilmsafteroxidizingfor90minat600oCfromdifferent

initialconstituentsof(a)Au/Znbilayer,(b)Zn-Alsinglelayer,and(c)Au/Zn-Albilayer.TheresultsofSEMimages2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用46Fig.(a)appearsthatthemorphologyisformedbydendriticnano-columns,whichisperpendiculartothesubstrate.ThismaybecauseofthecatalysisofAuontheZnOgrowth.Thediametersofthecolumnsareabout285.00nmanddistributeuniformly.ThecolumnofsurfacechangestonanoparticleforthedopedZnOoxidizedfromtheZn-AlandAu/Zn-Alfilms.Theparticlesize(106.58nm)oxidizedfromtheAu/Zn-Alfilmismuchsmallerthanthat(228.40nm)oxidizedfromtheZn-Alfilm.ThedifferenceinthesurfacemorphologiesofthefilmsoxidizedfromtheAu/ZnandAu/Zn-AlfilmsindicatesthatnotonlyAubutalsoAlplaysakeyroleintheoxidationgrowth.Alinhibitsthegrowthofnano-columnandAuresultsinasmallerparticlesize.Thus,thesurfacemorphologiesofthefilmscanbecontrolledbydopingAlandAu.TheresultsofXRD2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用47ThepeaksofthedopedZnOfilmoxidizedfromtheAu/Znbilayerareveryweakbecausethecolumnstructureisperpendiculartosubstrate.ForthedopedZnOfilmoxidizedfromtheZn-Alsinglelayer,thepeaksexhibitthecharactersofnotonlysuitedforZnObutalsootherphasesassociatedwithAl,ZnandO.TheotherphasesarerelatedtoAl2O3andZnAl2O4.ThismeansthatexcessiveAlhasbeenoxidizedtoaluminiumoxide,whichisthedopantthatchangesthemicrostructureofthedopedZnOfilms.ComparedtotheXRDdataoxidizedfromtheAu/Zn-AlandZn-Alfilms,theamountofdiffractionpeaksdecreasedunderthecatalysisofAu.Inaddition,thepositionoftheAl2O3(101)peakisdifferent.WithoutthecatalysisofAu,thepositionsofthediffractionpeaksshifttosmallangle.ThisisbecausemoreAl3+wassubstitutedbyZn2+inthelattice,andtheradiusofZn2+(0.060nm)islargerthanAl3+radius(0.036nm).Latticedistortionandinternalstressmakethediffractionpeaksshifttoasmallangle.XRDimagesofthedopedZnOfilmsTheresultsofTransmittance2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用48FortheZnOfilmoxidizedfromtheAu/Znfilm,thetransmittanceincreasedwiththewavelengthoflightandwasmorethan70%fortheinfraredlight(1700-2000nm).FortheZnOfilmsoxidizedfromtheZn-AlandAu/Zn-Alfilms,thetransmittanceisabout22%,becausethatthetransmittanceisstronglyrelatedtothesurfacestructure,vacancyandAlcontentinthefilm.ThetransmittanceoftheZnOfilmoxidizedfromtheAu/Znbilayerismuchhigherthanthatofotherfilms.ThisisbecausethecolumnoftheAu/Zncaseisperpendiculartosubstrateandisolatedfromeachother.FortheAldopedcase,theyformednon-transparentaluminumoxideinthefilms.SincetheZnOfilmwithasmallparticlesizehasmoregrainboundariestoimprovethetransmittance.Asaresult,thetransmittanceoftheZn-AlcaseisslightlyhigherthanthatoftheAu/Zn-Alcase.TransmittanceofthedopedZnOfilms

Thermoelectricproperties

2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用49V-Icurvesmeasuredwith(a)andwithout(b)silver

conductiveadhesiveofthedopedZnOfilmsHeatingfurnaceUpperblockLowerblock

ThermocoupleThinfilmCurrentelectrodeSilverconductiveadhesive

Conductiveadhesive

Quartzholder

Schematicdiagramofmeasuringthethermoelectricparameters.

Thermoelectricproperties

2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用50Electricalresistivityρ(a),SeebeckcoefficientS(b),andpowerfactor(c)ofthedopedZnOfilmsafteroxidizingfor90

minat600oCfromdifferentinitialconstituentsoftheAu/Zn,Zn-Al,andAu/Zn-Alfilms.TheresultsofTEM2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用515nm5nm(a)(b)HRTEMimagesoftheZnOfilmsoxidizedfromtheZn-Alfilm(a)andtheAu/Zn-Alfilm(b).TheresultsofTEM2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用52(a)(b)300nm300nmAl(c)(d)ZnO300nm300nmTEMimage(a)andthecorrespondingsurfacecomponentmappingofAluminium(b),

Zinc(c)andoxygen(d)oftheZnOfilmoxidizedfromtheAu/Zn-Alfilm.Conclusions2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用53TheeffectofAl2O3andAudopantsonthestructureandthermoelectricpropertiesofthedopedZnOfilmsfabricatedbyoxidationtheAu/Znbilayer,Zn-AlsinglelayerandAu/Zn-Albilayerwasstudied.SEM,XRD,UV-vis,ZEM-3resultsshowedthatbothgrowthmodelanddopantshaveagreateffectonthestructure,particlesize,transmittanceandthermoelectricpropertiesofthedopedZnOfilms.ThemorphologyoftheZnOfilmoxidizedfromtheAu/Znbilayerwasformedbythedendriticnano-columnwhichwasperpendiculartosubstrateduetotheAucatalysisandwastransformedtonanoparticlewithdopingAl.However,dopingexcessiveconcentrationofAldecreasedthetransmittanceofthefilms.TheAudopantdecreasedtheparticlesizeandinhibitedthegrowthofAl2O3.ThemutuallyindependentcolumnandwithoutdopantAl2O3resultedinalargeresistivityoftheZnOfilmoxidizedfromtheAu/Znfilm.WhiletheAl2O3dopantimprovedtheconductivityoftheZnOfilmsoxidizedfromtheAu/Zn-AlandZn-Alfilms,andthevaluesofresistivitywereinrangeofthesemiconductor.ThevaluesoftheSeebeckcoefficientbasicallyascendedinmagnitudewithincreasingtemperaturesmallpseudogap.ThelargestpowerfactoroftheZnOfilmoxidizedfromtheZn-Alsinglelayerwas3.995×10-5W/(m?K2)at240oC.Therefore,thestudyprovidesamethodtomodifythestructureandelectricalpropertiesofdopedZnOfilms.強磁場應(yīng)用的原理2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用54在上述實驗驗證Au的催化作用之后，添加強磁場作用于熱處理另外,強磁場是一種極端的高能物理場,具有的磁化作用和磁力效果可以無接觸地作用于原子尺度,強磁場已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)和揭示物理現(xiàn)象本質(zhì)的必備手段。

Zn系膜c軸的磁化能低,在強磁場作用下,磁化能低的

c軸會沿磁場方向擇優(yōu)生長,并且強磁場會細(xì)化Zn

薄膜的晶粒,改變薄膜的表面形貌.此外，單晶的氧化鋅的電子遷移率大約是200cm2V-1s-1，而非取向的多晶鋁摻雜ZnO塊是40-50cm2V-1s-1。因此，應(yīng)用HMF在ZnO薄膜的熱氧化生長期間，加之Au有催化ZnO納米線的作用。這提供了一種生長具有不同的內(nèi)部接口的摻雜ZnO膜和改變熱電性能的可能性。2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用55Zn和Al均采用粒徑約為3mm以及純度為99.99%的顆粒，Au的純度為99.999%.薄膜制備工藝采用分子束氣相沉積裝置真空蒸鍍Au、Zn和Al，工作真空度為2.2×10-4Pa。在完成鍍膜任務(wù)之后，這一次是Au/Zn0T；Au/Zn12T；

Au/Zn-Al0T；Au/Zn-Al12T四種薄膜。薄膜在有超導(dǎo)磁體的（JMTD-12T-100）熱處理爐中，大氣條件下，從室溫下以5oC/min的加熱速率加熱到420oC氧化3小時;然后將樣品在爐中冷卻至室溫。在過程中磁場的方向是向上的，并垂直于基片。制備原料與工藝TheresultsofSEMimages2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用561μm(a)(c)(d)2μmBlackGrayishwhite2μm2μm2μm(b)Isolatedislands(f)PointA(e)A

SEMimagesoftheAu-andAl-dopedZnOfilmsafteroxidationfor3hat420oCwithandwithoutanapplicationofhighmagneticfield.(a)Au/Zn0T;(b)Au/Zn12T;(c)Au/Zn-Al0T;(d)Au/Zn-Al12T;(e)Enlargedschematicpictureoftheregioninfigure1(b);(f)EnergydispersiveX-rayspectrometer(EDS)spectrogramsoffigure1(e).TheresultsofXRD2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用57ThepeaksoftheAu/Zn0Tfilmareveryweak.Thatthecolumncan’tberecognizedisbecausetheparticlesaretoosmallandthecrystallizationistooweak.FortheAu/Zn12Tfilm,thepeaksexhibitthecharactersofsuitingfornotonlyZnObutalsootherphaseassociatedwithAu.ThatindicatesthatAudidnotcompletelyenterintotheinsideoftheZnOcrystallattice.TheAu/Zn12Tfilmshasthestrongest(002)peakwhilean(101)diffractionpeakwasalsoobservedintheXRDprofiles.Theresultsindicatethatthesefilmshavepreferredc-axisorientation.ForthedopedZnOoxidizedfromtheAu/Zn-Albilayer,thediffractiontraceofthe(002)planewasweakened,whilethatofthe(101)and(100)planewasenhanced.Thec-axispreferredorientationofthefilmsbecomesindistinctbythehighconcentrationofAlduetothedegradationofthefilmcrystallinity.Meanwhile,therearenodiffractionpeaksfromotherphase.ThisindicatesthattheZnelementwasalloxidizedtoZnO.WiththeadditionoftheAlelement,anewdiffractionpeakwasobservedintheXRDprofileat42.5°,whichcorrespondstothe(006)planeofAl2O3.Theintensityofthe(006)planewasmuchlargerundertheapplicationofHMF.XRDimagesoftheAu-andAl-dopedZnOfilmsTheopticaltransmittancesofthedopedZnOfilms2023/2/3ZnO陶瓷及應(yīng)用58FortheAu/Znfilms,thetransmittanceincreasedwiththewavelengthoflightandwasover67%intheinfraredrangeof750-2000nm.FortheAu/Zn-Alfilm,thetransmittancealsoincreasedwiththewavelengthoflight.Transmittanceofthe0Tand12Tfilmswasrespectivelyabout60%and50%fortheinfraredlight,respectively.TheresultsshowthatthetransmittanceofthefilmsunderHMFconditionislowerthanthatwithoutHMF.Thetransmittanceisstronglyrelatedtothemorphologyanddopantofthefilms.Wethinkitist