Love波传感器结构的有限元分析方法

提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。一方面运用开路和短路条件下的特征频率来计算机电耦合系数,另一方面结合微扰理论的计算得到器件的质量灵敏度。最后通过这两个参数来选取波导层厚度,使器件达到最优的性能。在不同的波导层厚度情况下,计算了SiO₂/ST-90°X石英和SiO₂/36°Y-X LiTaO₃两种结构Love波传感器结构的仿真结果,得到了这两种结构的波导层最优的厚度分别为0.11λ和0.2λ。与已报道的文献和实验的结果对比,本文所采用的方法明显优于传统的均匀层状结构理论分析的结果,通过仿真不同结构和材料参数的器件性能,有效地指导Love波传感器的设计。      

Al和Sb共掺对ZnO有序阵列薄膜的结构和光学性能的影响

采用水热合成法在预先生长的ZnO种子层的玻璃衬底上制备出Al和Sb共掺ZnO纳米棒有序阵列薄膜. 通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和选区电子衍射分析表明:所制备的薄膜由垂直于ZnO种子层的纳米棒组成, 呈单晶六角纤锌矿ZnO结构, 且沿[001]方向择优生长, 纳米棒的平均直径和长度分别为27.8 nm和1.02 μm. Al和Sb共掺ZnO纳米棒有序阵列薄膜的拉曼散射分析表明:相对于未掺杂ZnO薄膜的拉曼振动峰(580 cm^-1), Al和Sb共掺ZnO阵列薄膜的E₁(LO)振动模式存在拉曼位移. 当Al和Sb的掺杂量为3.0at%,4.0at%,5.0at%,6.0at%时, Al和Sb共掺ZnO阵列薄膜的拉曼振动峰的位移量分别为3,10,14,12 cm^-1. E₁ (LO) 振动模式位移是由Al和Sb掺杂ZnO产生的缺陷引起的. 室温光致发光结果表明:掺杂Al和Sb后, ZnO薄膜在545 nm处的发光强度减小,在414 nm处的发光强度增加. 这是由于掺杂Al和Sb后, ZnO薄膜中Zn_i缺陷增加, O_i缺陷减少引起的. 关键词： Al和Sb共掺ZnO薄膜 纳米棒有序阵列 结构表征 拉曼散射     

纳米VO2/ZnO复合薄膜的热致变色特性研究

为提高VO₂薄膜的热致变色性能,采用纳米结构和复合结构二者相结合的方法,通过磁控溅射技术先在玻璃衬底上制备高(002)取向ZnO薄膜,再在ZnO层上室温沉积钒金属薄膜,最后经热氧化处理获得纳米结构VO₂/ZnO复合薄膜.利用变温拉曼光谱观察分析了VO₂/ZnO薄膜相变前后的晶格畸变和键态的演变过程,讨论了薄膜的结构与热致红外开关特性和相变温度的内在关系.结果显示,与相同条件获得的同厚度的单层VO₂薄膜相比,纳米VO关键词： ZnO 2')" href="#">VO₂ 纳米复合薄膜 热致变色 拉曼光谱     

两步法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜

采用两步法制备了超疏水性ZnO纳米棒薄膜,在用磁控溅射在普通玻璃衬底上生长一层ZnO籽晶层基础上,利用液相法制备了空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列,经修饰后由亲水性转变为超疏水性.用扫描电子显微镜观察了纳米棒的表面结构,用接触角测量仪测出水滴在ZnO纳米棒薄膜表面的接触角为151°±05°,滚动角为7°.用Cassie模型对ZnO纳米棒薄膜的超疏水性进行了验证. 关键词： ZnO纳米棒 超疏水 两步法     

基于高阻ZnO薄膜的光电导型紫外探测器

本文通过射频磁控溅射法在玻璃衬底上沉积一层ZnO薄膜, 制备了Al-ZnO-Al 结构光电导型紫外探测器件, 并在室温下测试了所制备器件的暗场特性及其对紫外线的响应特性. 暗场条件下器件电流特性测试结果表明所制备的ZnO薄膜电阻率达到了3.71×10⁹ Ω · cm, 是一种高阻薄膜. 在波长365 nm, 光强303 μW/cm²的紫外线照射下, 薄膜的电阻率为7.20×10⁶ Ω · cm, 探测器明暗电流比达到了516. 40 V偏置电压条件下周期性开关紫外线照时, 探测器的上升和下降时间分别为199 ms和217 ms, 响应速度快且重复性好, 并利用ZnO半导体表面复合慢过程和体复合快过程对瞬态响应过程进行了理论拟合分析. 本文研究结果表明, 高阻ZnO薄膜紫外探测器具有良好的紫外光电响应特性.     

WO3/Pt复合薄膜的制备及其光电催化性能

导电玻璃作为基底水热法生长了WO₃纳米棒,通过电沉积法改变沉积Pt的时间(40 s,80 s,120 s),以WO₃纳米棒为基底沉积得到不同的WO₃/Pt复合薄膜样品。通过X射线衍射分析和扫描电子显微镜等测试手段将WO₃纳米棒薄膜和WO₃/Pt复合薄膜样品进行表征。结果表明成功制备了WO₃/Pt复合薄膜样品。漫反射结果显示WO₃/Pt复合薄膜与WO₃薄膜相比具有更强的光吸收。交流阻抗谱显示WO₃/Pt复合薄膜与WO₃纳米棒薄膜相比增强了电荷转移效率。利用光电流、光电催化对WO₃/Pt复合薄膜进行光电性能测试,结果表明WO₃/Pt复合薄膜相较于单一WO₃薄膜光电流活性更高和光电催化活性更强,并且沉积时间为80 s的WO₃/Pt复合薄膜显示最为优异的光电流和光电催化性能。同时,沉积时间为80 s的WO₃/Pt复合薄膜的光电催化性能优于其光催化和电催化性能。     

掺银氧化锌纳米棒的水热法制备研究

利用水热法在直流磁控溅射制备的掺铝氧化锌 (AZO) 种子层上制备了不同形貌和光学性能的掺银ZnO纳米棒, 并采用XRD、扫描电镜、透射谱、光发射谱和EDS谱详细研究了Ag离子与Zn离子的摩尔百分比 (R_Ag/Zn) 及AZO种子层对掺银ZnO纳米棒的结构和光学性质的影响. 随着R_Ag/Zn的增加, 掺银ZnO 纳米棒的微结构和光学性质的变化与银掺杂诱导的纳米棒的端面尺寸变化有关. 平均端面尺寸的变化归结于种子层颗粒大小和颗粒数密度不同导致掺入的Ag离子的相对比例不同. 溅射15 min的AZO种子层上生长的ZnO纳米棒由于缺陷增多导致在可见光区的发光峰明显强于溅射10 min 的AZO种子层上、相同R_Ag/Zn 条件下生长的ZnO纳米棒. Ag掺杂产生的点缺陷增多导致可见光区PL波包较宽. 纯ZnO纳米棒的微结构与种子层厚度导致的结晶度和颗粒大小有关. 关键词： ZnO纳米棒 水热法 Ag掺杂 直流磁控溅射     

原位氧化Zn3N2制备p型ZnO薄膜的性能研究

采用射频反应溅射法在玻璃衬底上制备Zn₃N₂薄膜，然后向真空室中通入纯氧气进行热氧化制备ZnO薄膜.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、霍尔效应测量、透射光谱和光致发光光谱等表征技术，研究了氧化温度和氧化时间对ZnO薄膜的结晶质量、电学性质和光学性能的影响.研究结果显示，450 ℃ 下氧化2 h后的样品中除含有ZnO外，还有Zn₃N₂成分，500 ℃下氧化2 h可以制备出电阻率为0.7 Ωcm，空穴载流子浓度为10^{关键词： p型ZnO薄膜 3N₂薄膜')" href="#">Zn₃N₂薄膜 射频溅射 原位氧化}     

纳米ZnO和ZnO-SiO2复合薄膜的光学性质研究

通过溶胶凝胶(sol-gel)法分别在玻璃衬底上制备了ZnO纳米薄膜和ZnO-SiO₂纳米复合薄膜,并利用紫外-可见光分光光度计对薄膜的光学性能进行了分析.可见光-紫外透射谱显示,随着ZnO溶胶浓度从0.7mol/L降低到0.006mol/L,制备的ZnO薄膜从只出现一个380nm(对应的光学禁带宽度为3.27eV)左右的吸收边到在380和320nm(对应的光学禁带宽度为3.76eV)左右各出现一个吸收边,并且随着ZnO溶胶浓度的降低,在380—320nm波段内的透过率明显提高.而Z 关键词： 纳米ZnO 2复合薄膜')" href="#">ZnO-SiO₂复合薄膜 溶胶凝胶法 透射率     

乐甫波结冰状态监测的响应机理分析

提出了将冰层进行多孔介质等效方法,对冰层、液体/波导层/压电基底多层乐甫(Love)波导结构建立分层介质模型,利用部分波理论和边界条件精确推导,分析不同状态下的传感响应,求解结冰过程Love波速度及声波衰减的变化,获得结冰过程中的声学传感机制。为了验证理论分析,实验制作了200 MHz的36°LiTaO₃/SiO₂波导结构的Love波器件,并构建模拟环境的试验系统对研制器件进行了实验测试。实验结果表明,利用Love波的工作频率以及插入损耗瞬变这一特征可以实现对结冰状态的准确监测。      

Propagations of Rayleigh and Love waves in ZnO films/glass substrates analyzed by three-dimensional finite element method

Propagation characteristics of surface acoustic waves(SAWs) in ZnO films/glass substrates are theoretically investigated by the three-dimensional(3D) finite element method. At first, for(11ˉ20) ZnO films/glass substrates, the simulation results confirm that the Rayleigh waves along the [0001] direction and Love waves along the [1ˉ100] direction are successfully excited in the multilayered structures. Next, the crystal orientations of the ZnO films are rotated, and the influences of ZnO films with different crystal orientations on SAW characterizations, including the phase velocity, electromechanical coupling coefficient, and temperature coefficient of frequency, are investigated. The results show that at appropriate h/λ, Rayleigh wave has a maximum k~2 of 2.4% in(90°, 56.5°, 0°) ZnO film/glass substrate structure; Love wave has a maximum k~2 of 3.81% in(56°, 90°, 0°) ZnO film/glass substrate structure. Meantime, for Rayleigh wave and Love wave devices, zero temperature coefficient of frequency(TCF) can be achieved at appropriate ratio of film thickness to SAW wavelength. These results show that SAW devices with higher k~2 or lower TCF can be fabricated by flexibly selecting the crystal orientations of ZnO films on glass substrates.     

应用于气体传感器的多波导层Love波器件的温度特性研究

为获得趋于零温度系数的多波导层Love波器件结构参数,对Love波器件的温度稳定性进行了研究。首先构建了这种多波导层条件下Love波传播特性的理论模型,即根据层状结构声波传播方程和边界条件推导出Love波的色散方程,再结合色散方程和Tomar的方法,成功提取出趋于零温度系数的Love器件结构参数,并通过实验验证了理论计算结果,实验测试得到的基于ST-90°X石英且采用SU-8与SiO₂双波导层的Love波延迟线器件的频率温度系数(tcf)仅为2.16 ppm/℃。优化后的器件具有很好的实际意义。      

An investigation of the dependence of ZnO film on the sensitivity of Love mode sensor in ZnO/quartz structure

Love mode acoustic devices are very promising as biosensors in liquid environments because of their high sensitivity. An experimental study of Love mode sensors based on ZnO/90 degrees rotated ST-cut quartz structure with different sputtering conditions to deposit ZnO films is presented. In order to achieve sensor with higher sensitivity, the effects of sputtering substrate temperatures to deposit ZnO films on the sensitivity of viscosity and conductivity were investigated. Phase velocity, sensitivity and temperature coefficient of frequency (TCF) of Love wave devices have been studied. The Love wave sensor has higher sensitivity as sputtering ZnO films on the unheated substrate than that of on the heated substrate. The maximum sensitivity up to -18.77 x 10(-8) m(2) s kg(-1) of ZnO film with thickness of 1.8 microm for a wavelength of 40 microm is much bigger than SiO(2)/quartz structure. In this research, we report ZnO/90 degrees rotated ST-cut quartz structure of Love wave sensors with high sensitivity of viscosity and conductivity in liquid circumstance and TCF of quartz is compensated by ZnO film.     

花状掺杂W-VO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;/ZnO热致变色纳米复合薄膜研究

为解决掺杂引起的二氧化钒薄膜的红外调制幅度下降以及二氧化钒复合薄膜相变温度需要进一步降低等问题, 采用纳米结构、掺杂改性和复合结构等多种机理协同作用的方案, 利用共溅射氧化法, 先在石英玻璃上制备高(002)取向的ZnO薄膜, 再在ZnO层上室温共溅射沉积钒钨金属薄膜, 最后经热氧化处理获得双层钨掺杂W-VO₂/ZnO纳米复合薄膜. 利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和变温光谱分析等对薄膜的结构、组分、形貌和光学特性进行了分析. 结果显示, W-VO₂/ZnO 纳米复合薄膜呈花状结构, 取向性提高, 在保持掺杂薄膜相变温度(约39 ℃)和热滞回线宽度(约6 ℃)较低的情况下, 其相变前后的红外透过率差量增加近2倍, 热致变色性能得到协同增强. 关键词： 2')" href="#">VO₂ ZnO W掺杂 热致变色     

Characteristics of surface acoustic waves in (11$$\bar 2$$ 0)ZnO film/ R-sapphire substrate structures

(11\(\bar 2\)0)ZnO film/R-sapphire substrate structure is promising for high frequency acoustic wave devices. The propagation characteristics of SAWs, including the Rayleigh waves along [0001] direction and Love waves along [1ī00] direction, are investigated by using 3 dimensional finite element method (3D-FEM). The phase velocity (v _p), electromechanical coupling coefficient (k ²), temperature coefficient of frequency (TCF) and reflection coefficient (r) of Rayleigh wave and Love wave devices are theoretically analyzed. Furthermore, the influences of ZnO films with different crystal orientation on SAW properties are also investigated. The results show that the 1st Rayleigh wave has an exceedingly large k ² of 4.95% in (90°, 90°, 0°) (11\(\bar 2\)0)ZnO film/R-sapphire substrate associated with a phase velocity of 5300 m/s; and the 0th Love wave in (0°, 90°, 0°) (11\(\bar 2\)0)ZnO film/R-sapphire substrate has a maximum k ² of 3.86% associated with a phase velocity of 3400 m/s. And (11\(\bar 2\)0)ZnO film/R-sapphire substrate structures can be used to design temperature-compensated and wide-band SAW devices. All of the results indicate that the performances of SAW devices can be optimized by suitably selecting ZnO films with different thickness and crystal orientations deposited on R-sapphire substrates.     

B掺杂ZnO透明导电薄膜的实验及理论研究

采用脉冲直流磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法对B掺杂ZnO （BZO）薄膜进行了研究. 以B₂O₃：ZnO陶瓷靶为溅射靶材,制备了低电阻率、可见和近红外光区高透过率的BZO薄膜. 系统地研究了衬底温度对BZO薄膜的结构、光电特性的影响. 结果表明：适当的增加衬底温度可以促进BZO薄膜结晶质量改善,晶粒尺寸增加,迁移率增大,电阻率降低. 在200 ℃时制备了电阻率为7.03×10^-4 Ω·cm,400–1100 nm平均透过率为89%的BZO薄膜. 理论模拟结果表明：在BZO薄膜中,以替位方式掺入的B （B_Zn）的形成能最低,B主要以替位形式掺入ZnO,其次分别为八面体间隙（B_IO）和四面体间隙（B_IT）的掺杂方式. B 掺入后,费米能级穿过导带,材料表现出n型半导体特性,光学带隙展宽,导电电子主要来源于B 2p,O 2p及Zn 4s电子轨道. 关键词： BZO薄膜 第一性原理计算 磁控溅射 太阳电池     

Finite element simulation of Love wave sensor for the detection of volatile organic gases

The three-dimensional (3D) finite element (FE) simulation and analysis of Love wave sensors based on polyisobutylene (PIB) layers/SiO$_{2}$/ST-90$^\circ$X quartz structure are presented in this paper, as well as the investigation of coupled resonance effect on the acoustic properties of the devices. The mass sensitivity of the basic Love wave device with SiO$_{2}$ guiding layers is solved analytically. And the highest mass sensitivity of 128 m$^{2}$/kg is obtained as $h_{\rm s}/\lambda =0.175$. The sensitivity of the Love wave sensors for sensing volatile organic compounds (VOCs) is greatly improved due to the presence of coupled resonance induced by the PIB nanorods on the device surface. The frequency shifts of the sensor corresponding to CH$_{2}$Cl$_{2}$, CHCl$_{3}$, CCl$_{4}$, C$_{2}$Cl$_{4}$, CH$_{3}$Cl and C$_{2}$HCl$_{3}$ with the concentration of 100 ppm are 1.431 kHz, 5.507 kHz, 13.437 kHz, 85.948 kHz, 0.127 kHz and 17.879 kHz, respectively. The viscoelasticity influence of the sensitive material on the characteristics of SAW sensors is also studied. By taking account of the viscoelasticity of the PIB layers, the sensitivities of the SAW sensors with the PIB film and PIB nanorods decay in different degree. The gas sensing property of the Love wave sensor with PIB nanorods is superior to that of the PIB films. Meanwhile, the Love wave sensors with PIB sensitive layers show good selectivity to C$_{2}$Cl$_{4}$, making it an ideal selection for gas sensing applications.     

ZnO薄膜的掺杂特性

通过MOCVD方法生长的ZnO薄膜一般为富锌生长,呈n型电导,要想得到高阻或低阻p-ZnO薄膜需要对其进行掺杂施主或受主杂质.主要研究在生长过程中通过NH₃对ZnO薄膜进行氮掺杂的情况,利用优化生长条件,即生长温度为610℃,Ar气(携带DEZn)流量为4sccm,O₂流量为120sccm,N₂流量为600sccm,得到在NH₃流量为80sccm时生长样品的结晶质量最高,在掺杂薄膜中NH₃流量高于或低于80sccm时,样品的表面形貌都将变差,只有在80sccm时表面粗糙度最低晶粒最小,表明该流量下获得的样品表面较光滑致密.所以80sccmNH₃流量为在R面蓝宝石上生长<110>取向ZnO薄膜的最佳掺杂流量.Hall测量结果表明,NH₃流量为50sccm的样品电导呈弱p型,电阻率为102Ω·cm,空穴载流子浓度为+1.69×10¹⁶cm^-3,迁移率为3.6cm²·V^-1·s^-1;当NH₃流量增加时样品的电导呈n型,电阻率最高达10⁸Ω·cm,我们认为与进入ZnO薄膜的H的量有关,并对其变化机理进行了详细的分析.     

蓝宝石R面上ZnO薄膜的NH3掺杂研究

以NH₃为掺杂源,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在蓝宝石R面上生长出掺氮ZnO薄膜。通过XRD,SEM测量优化了其生长参数,在610℃和在80sccm的NH₃流量下生长出了〈1120〉单一取向的ZnO薄膜。经Hall电阻率测量,得知该薄膜呈现弱p型或高电阻率,并对其光电子能谱进行了研究。