非晶碳膜的壓阻效應(yīng)

非晶碳膜的壓阻效應(yīng)提綱壓阻效應(yīng)背景1DLC的壓阻效應(yīng)2DLC壓阻應(yīng)用探索舉例3展望41一壓阻效應(yīng)背景1.什么是壓阻效應(yīng)？壓阻效應(yīng)（狹義）：是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種半導(dǎo)體材料制作而成的傳感器中，形成商品化產(chǎn)品，比如：壓力傳感器及加速度傳感器。2.壓阻效應(yīng)的應(yīng)用？2背景3.壓阻效應(yīng)的主要研究進(jìn)展1856年WilliamThomson(LordKelvin)發(fā)現(xiàn)鐵銅材料拉長后的電阻變化1932年Allen第一次測量了單晶鉍，銻，鎘，鋅和錫中不同取向的應(yīng)變電導(dǎo)率關(guān)系。1950年Bardeen和Shockley預(yù)測在單晶半導(dǎo)體中會有明顯的壓阻特性ProcIEEEInstElectrElectronEng.2009;97(3):513–552.C.S.Smith在硅和鍺中測的了巨大的壓阻效應(yīng)。20世紀(jì)50年代末期1958年，KuliteSemiconductor公司是Bell實驗室壓阻專利的第一個授權(quán)使用者3New

material？背景4.壓阻效應(yīng)研究的重要物理概念1.對于結(jié)構(gòu)均勻的材料，其電阻其中l(wèi)為式樣長度，a為式樣平均截面積，為材料的電阻率。電阻R隨應(yīng)力變化，主要在于電阻是形貌與電阻率的函數(shù)，比如縱向拉長會使其截面積按照材料的泊松比減小。2.gaugefactor(GF)定義為4二DLC的壓阻效應(yīng)為什么要研究DLC的壓阻效應(yīng)？金屬體系：g值較小0.8~3.0，不需摻雜Si，Ge體系：g值可達(dá)177，有方向性GexSi1-x

（x=0.01~0.05）在低溫（T<50k）會出現(xiàn)巨壓阻效應(yīng)（1）ZnO，TiO2

，ITO體系：柔性聚苯乙烯基底表面加入銻摻雜的ZnO，縱向壓阻系數(shù)為350

（2）橡膠體系：炭黑作為導(dǎo)電相，硅橡膠作為基體材料，具有壓電特性（3）其他：

SiC，Nanowires，TaN-Cu，GaN，分子有機(jī)半導(dǎo)體，水泥基復(fù)合材料體系（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.443-448.5DLCother壓阻特性材料CNTs：g值可達(dá)2900（2）Diamond：單晶金剛石與多晶金剛石的g值分別為2000~3836和(10~100

)(1)Graphene：

CVD在Ni/Cu膜上制備，應(yīng)變?yōu)?%時，其g值6.1（3），機(jī)械剝離的石墨烯g為~1.9（4），實驗測得g~150。與CNT相比，石墨烯的2D結(jié)構(gòu)，平面處理工藝簡單（5）

C纖維：壓力感應(yīng)范圍可以根據(jù)C纖維的形狀與尺寸分布不同而得以擴(kuò)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.06FE01.6DLC優(yōu)勢壓阻因子G高，1000

生產(chǎn)成本低，工藝簡單寬帶隙，

高硬度摩擦性能優(yōu)異，惡劣環(huán)境穩(wěn)定直接沉積，不需貼片，精度高Surface&CoatingsTechnology211(2012)172–175WhyDLC7壓阻機(jī)理：DLC=半導(dǎo)體？半導(dǎo)體的壓阻機(jī)理對半導(dǎo)體施加應(yīng)力時，除形變外，能帶結(jié)構(gòu)也要變化，因而電阻率改變。單軸拉伸或壓縮：當(dāng)晶體某一個方向拉伸或壓縮，壓阻效應(yīng)與外力方向，電流方向以及材料的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，表現(xiàn)出各向異性。Si的等能面是極值沿<100>方向的六個旋轉(zhuǎn)球，如圖。設(shè)沿[100]方向施加壓縮應(yīng)力T（T<0），則[100]方向被壓縮，晶格間距減小，而Si的禁帶寬度隨壓強(qiáng)增大而減小，故極值能量降低，而[010]方向和[001]方向極值升高。在應(yīng)力作用下的Si等能面變化示意圖（紅色代表力作用后的等能面）《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科[100][001][010]XZYTT8由于[100]方向極值降低，[010]方向和[001]方向極值升高，電子要占據(jù)低能量態(tài)，向[100]發(fā)生轉(zhuǎn)移。（a）表示無應(yīng)力時[100]方向和[010]的兩個能谷；（b）表示[100]能谷降低了△E和[010]能谷升高了△E，引起電子轉(zhuǎn)移；（c）轉(zhuǎn)移結(jié)果是[100]能谷中電子增多而[010]能谷中電子數(shù)減少，導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。[010][100]EK(a)[010][100]EK(c)[010][100]EK(b)△E△E半導(dǎo)體的壓阻機(jī)理9DLC的電子結(jié)構(gòu)晶體：電子在整個晶體中運動，為擴(kuò)展態(tài)非晶體：無長程有序性，對電子勢強(qiáng)烈散射，波函數(shù)沒有布洛赫函數(shù)形式，存在衰減，出現(xiàn)了定域化定域態(tài)特點：

對某一給定能量E（此時波矢K無意義），波函數(shù)限制在空間小區(qū)域，隨距離r指數(shù)衰減擴(kuò)展態(tài)（a）與定域態(tài)（b）《非晶態(tài)半導(dǎo)體物理學(xué)》，何宇亮等DLC定域態(tài)電子11[1]J.Robertson,DiamondRelat.Mater.6(1997)7.定域態(tài)（局域態(tài)）的準(zhǔn)則：ΔV/B>1σ鍵，π鍵定域化：以S態(tài)（σ鍵）為例，相互作用為V

±ΔV，帶寬為

B=2zV。但是對于π鍵，與相互作用的取向性有關(guān)，導(dǎo)致ΔV/B很大，π電子出現(xiàn)定域化。缺陷，以及團(tuán)簇：在midgape引入定域態(tài)DLC定域態(tài)電子12

J.Robertson,MaterialsScienceandEngineeringR,37(2002)153.禁帶中還有定域態(tài)（局域態(tài)），靠近帶尾部分也是定域態(tài)，稱為帶尾態(tài)。非晶碳π鍵定域化：起源于二面角的無序性，因而定域態(tài)遠(yuǎn)大于a-Si。電學(xué)性能取決于材料的遷移率邊，而光學(xué)吸收則為電子態(tài)密度決定，不受定域態(tài)影響[1]ThinSolidFilms,2007.515(20-21):p.8028-8033.[2]J.Micromech.Microeng.17(2007)S77–S82

模型：參照thickfilmresistor（TFR）模型，導(dǎo)電sp2団簇分布在不導(dǎo)電的sp3基質(zhì)中d-sp2団簇距離-定域化長度DLC壓阻機(jī)理模型？13Ni催化類石墨結(jié)構(gòu)，以及金屬團(tuán)聚(1)14Me-DLC壓阻機(jī)理？[1]DiamondRelat.Mater.25(2012)50[2]MaterialsScienceForumVols.638-642W團(tuán)簇距離變化(2)20092012201020112006Tibrewala等獲得G值高達(dá)1000

的a-C:H膜，但同時具有較大的TCR值（1，2）[1]Appl.Surf.Sci.252(2006)5387.[2]ThinSolidFilms515(2007)8028.GuenterSchultes，RalfKoppert等制備Ni:a-C:H膜，G值約為12，

在80–400K范圍TCR近似為0（3-6）TakeshiOhno，ToshiyukiTakagi等研究了W-DLC，獲得了較低的TCR和G值（7-11）MirjanaPetersen等人系統(tǒng)研究了Ag,Ni,Ti,W摻雜的非晶碳膜，只有Ni摻雜獲得近似為0的TCR（12）R.Gudaitis,?.Me?kins研究了Cr摻雜的非晶碳膜，在Cr/C約為0.2時，TCR近似為0，G值約為2（13）[3]SolidStateSciences11(10)(2009)1797[4]DiamondRelat.Mater.25(2012)50[5](Ni:a-C:H)furDrucksensoren,Ph.D.Thesis,SaarlandUniversity,2010.[6]DiamondRelat.Mater.26(2012)50[7]INTJAPPLELECTROM28(2008)211[8]DiamondRelat.Mater.17(2008)713[9]Mater.Sci.Forum,638-642(2010)2103[10]INTJAPPLELECTROM33(2010)665[11]DiamondRelat.Mater.20(2011)651[12]DiamondRelat.Mater.20(2011)814[13]Surf.Coat.Technol.211(2012)80DLC壓阻效應(yīng)總體研究進(jìn)展151999Discovery研究進(jìn)展1：高TCR，高g純碳膜a-C與a-C：H對比16[1]Appl.Surf.Sci.252(2006)5387.[2]ThinSolidFilms515(2007)8028.g：100～1200g：37～46a-C：H橫與縱向g值增大sp3含量，減小sp2團(tuán)簇尺寸，有利于增大g值g值與方向，構(gòu)造無關(guān)研究進(jìn)展1：測試方法（Si微機(jī)電加工工藝）17技術(shù)手段：PECVD復(fù)合MS研究進(jìn)展2：低TCR，低g金屬Ni摻雜碳膜18Ni含量超過75.at%，具有金屬特性50.at%對應(yīng)g約12，TCR～0（90k～400k）19研究進(jìn)展3：低含量Cr摻雜碳膜TCR降低，需要降低sp3含量，增大石墨團(tuán)簇的尺寸Cr金屬摻雜含量約20at.%g～log（R）關(guān)系（滲流理論？）研究進(jìn)展3：測試方法（四點法）20Lund,E.andT.G.Finstad,Designandconstructionofafour-pointbendingbasedset-upformeasurementofpiezoresistanceinsemiconductors.ReviewofScientificInstruments,2004.75(11):p.4960.三DLC壓阻應(yīng)用探索舉例Title：Pressuresensitivityofpiezoresistivenickel–carbonNi:a-C:Hthinfilms研究目的：解決水力系統(tǒng)中，水壓的測試響應(yīng)問題，改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)特性研究方法：不導(dǎo)電基地（Al2O3，含有SiO2層的Si片）上沉積Ni摻雜DLCH薄膜，并制備電極。測定材料的壓阻因子與TCR在水靜壓條件下測定材料的電阻