纳米氧化锌在电子电气工业中的应用.pdf

第5 7 卷第1 期 2 0 05 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ．N o ．1 F e b r u a r y 2 005 纳米氧化锌在电子电气工业中的应用 孙力军，张文彬，侯象洋 昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 摘 要纳米氧化锌作为一种新型无机非金属材料有着许多优异的性能和广泛的应用，并在很多领域中显示出了独特的魅 力。针对纳米氧化锌优良的电化特性较为系统地评述了其在电子电气工业中的应用，并对该材料的发展趋势进行了初步探讨。 关键词无机非金属材料；纳米氧化锌；综述；电子器件 中图分类号T B 3 8 3 ；T N 6 0 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 4 2 0 4 纳米粉体的晶粒小，由表面 界面 结构组元构 成，粒径介于原子团簇与常规粉体之间，与电子的德 布罗意波长相当。纳米材料的界面组元中含有相当 量的不饱和配位键、端键及悬键，有较大的表面曲率 和比表面积，存在小尺寸效应、表面界面效应、量子 尺寸效应及量子隧道效应等基本特性⋯1 。采用纳 米粉体制备的材料，具有传统材料无法比拟的性能 和极大的应用价值旧- 3J 。纳米氧化锌在磁、光、电、 力学和化学等方面具有不同于一般氧化锌产品的特 殊性能H _ 5J ，如无毒和非迁移性、荧光性、压电性以 及吸收和散射紫外线的能力等，是一种新型多功能 精细无机材料。从目前各国的有关研究№- 1 1 J 来看， 今后的研究将仍然以纳米氧化锌的光电性质及光电 器件的开发研究、气敏性质及微型气体传感器的开 发研究、压敏性质及低压压敏电阻器的开发研究等 方面为重点。 1气体传感器 传感器是自动化的基础器件之一。氧化锌是典 型的表面控制型气敏材料【1 2 ] ，对外界环境非常敏 感1 1 3J 。纳米氧化锌的气敏性又得到了进一步的提 升，周围气氛组分的微小改变迅速引起其表面离子 价态和电子运动的变化，从而立即引起电阻的显著 变化，并且可以通过搀杂来增强特定气体的敏感 性【1 4J 。利用纳米氧化锌的这个特点可以对气体进 行检测和定量测定。将纳米氧化锌粉体用于瞬态薄 膜传感器的研究表明，纳米氧化锌便于喷涂与质量 控制，易于极化与转向，表现出了非常理想的电特性 收稿日期2 0 0 4 0 2 2 5 作者简介孙力军 1 9 5 6 一 ，女，重庆市人，教授，主要从事功能材 料方面的研究。 和动态特性，适用于瞬态信号的测定。随着自动监 控、自动检测的发展，对性能卓越的纳米氧化锌气敏 传感器材料的需求将不断增加。 2 光电子器件材料 短波长光电子材料和器件对于提高光通信带宽 和光信息记录密度有非常重要的作用。1 9 9 5 年 G a N 蓝光材料兴起时就引起了学术界的广泛重视。 1 9 9 7 年又发现氧化锌纳米结构薄膜存在很强的紫 外及蓝光受激发射。B a g n a l l 和T a n g 等人报道了纳 米氧化锌薄膜的光谱近紫外受激发射现象[ 1 5 ] ，引起 轰动。美国材料学会1 9 9 7 年春季会议专门对这项 工作进行了讨论，并在1 9 9 7 年S c i e n c e 第2 7 6 卷以 “w i l lu VL a s e r sB e a tt h eB l u e st h eb l u e s ”为题做了 专题评论，称纳米氧化锌紫外光发射的研究是“一项 伟大的工作”，因此，Z n O 的紫外激光研究成为继 G a N 的蓝光热之后的又一热点。Z n O 是一种具有 六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁 带宽度为3 ．3 7 e V ，激子结合能高达6 0 m e V ，这比同 是宽禁带材料的Z n S e 2 0 m e V 和G a N 2 1 m e V 都 高出了许多u6 | 。Z n O 的熔点为1 9 7 5 ℃，具有很高 的热稳定性和化学稳定性，材料来源丰富，价格低 廉，无毒，易实现掺杂，氧化锌薄膜可以在低于5 5 ℃ 温度下获得，较G a N ，S i C 和其他I I V I 族半导体 宽禁带材料的制备温度低很多。综合利用纳米氧化 锌的光电导、半导体及压电性能，还可将表面光压电 效应用于驱动微机械构件，而且纳米氧化锌的许多 制作工艺与集成电路相容，用硅晶片作衬底，利用成 熟的硅表面工艺，可进行高集成度的单片集成，集光 学、电学、声学性能于一体。这正是传统声光器件所 缺少的，也是许多常规材料所无法比拟的优越性，是 万方数据 第1 期孙力军等纳米氧化锌在电子电气工业中的应用 4 3 一种小型化、高稳定性的光电集成电路，适于较低成 本的批量生产。这些优点使得它成为一种很有前途 的紫外光电子器件材料，极具开发和应用价值[ 1 7 ] 。 目前的研究表明，氧化锌是唯一的一种在低电 子射线下可以发出荧光的物质，光色为兰色及红 色[ 1 8 】。可以利用这种性质制作低电子辐射荧光体。 纳米氧化锌制作的灯管寿命大大高于普通灯管，并 且具有非常显著的节能效果。 3 吸光吸波材料 氧化锌的禁带宽度为3 ．3 7 e V ，所对应的吸收波 长为3 8 n m 。由于量子尺寸效应，颗粒为1 0 0 n m 时， 禁带宽度增加到大于4 ．5 e V ，因此能较好地吸收紫 外线⋯，尤其对2 8 ～3 2 n m 的紫外线。同时纳米颗 粒具有较好的可见光透过性，是一种比较理想的紫 外线屏蔽剂。与有机紫外线吸收剂相比，纳米氧化 锌紫外线屏蔽剂具有安全、稳定、可靠的特点，因而 具有广泛的应用前景[ 1 0J 。纳米氧化锌在阳光，尤其 在紫外线照射下能自行分解出自由移动的带负电的 电子，同时留下带正电的空穴，这种空穴可以激活空 气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种 有机物发生氧化反应，杀死大多数病菌和病毒【1J 。 在纤维织物中掺入纳米氧化锌既有屏蔽紫外线的功 能，又具有抗菌、防毒、防臭的奇特功效，在日用化妆 品中添加纳米氧化锌有很好的防晒护肤作用。 纳米氧化锌不仅对紫外线具有吸收能力，还能 有效地吸收入射雷达波并能使其散射衰减，并具有 较强的吸收红外线的能力[ 1 8 】。用它作隐身材料，不 但能在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察，而且能 起到红外隐身作用，现已成为军用吸波材料研究的 热点，在国防上有重要的意义。 4非线性压敏电阻材料 纳米氧化锌的压敏性质主要表现在非线性伏安 特征方面。纳米氧化锌压敏材料受到高于压敏电压 的外加电压时，电压的微小变化就会引起电流的迅 速增大 变化幅度由非线性系数来表征 。这一特征 使纳米氧化锌压敏材料在各种电路的电压保护、稳 压和浪涌电压吸收以及过流保护方面得到广泛应 用。由于集成电路的快速发展，对压敏电阻也越来 越要求低压化和小功率化，用于集成电路过压保护 的压敏电阻的压敏电压一般 1 0 k V ，随着超大规模 集成电路的发展，对具有高非线性系数、低压敏电压 的压敏电阻的需求越来越迫切。Y ．S u z u o k y [ ”] 等 人利用射频溅射法在玻璃基片上沉积了具有较大非 线性系数纳米氧化锌双层膜，膜厚3 2 5 ～4 8 1 n m ，压 敏电压为1 3 5 8 ～2 5 3 1 V ，非线性系数a 值为7 9 9 ～ 2 2 3 8 。这些研究表明，纳米氧化锌所表现出来的低 压压敏性质正好符合目前迅速发展的大规模、超大 规模集成电路过流保护、稳压和浪涌电压吸收的需 要，具有十分广阔的应用前景。 5图像文字记录材料 磁性材料是电子信息产业发展的基础，锰锌铁 氧体因为具有良好的磁性能而在工业上广泛使用。 但该磁性材料的制造工艺复杂，如果采用纳米氧化 锌作原料，不仅可以简化制造工序，而且还可以提高 产品的均一性和导磁性，减少产品在烧制过程中的 碎裂损失，降低烧结温度，显著提高产品质量，可以 用作磁存储记录材料。纳米氧化锌依制备条件的不 同可获得光导电性、半导体性和导电性等不同性质。 利用半导体性质，可用作图像记录材料，利用其光导 电性质用于电子摄影，利用导电性质作电热记录纸 等。其优点是无三废公害，画面质量好，可高速记 录，能吸附色素进行彩色复印，酸蚀后有显水性，可 用于胶片印刷等。另外纳米氧化锌还具有一些特殊 的光学性质和光电化学性质，用它作图像记录材料 可以提高信噪比，改善图像的质量，可以用于电子摄 影的电击穿记录纸和电热记录纸等。 6压电材料 高密度、定向生长的纳米氧化锌具有优良的压 电性能，具有高机电耦合系数和低介电常数，是一种 用于体声波 B A W 尤其是表面声波 S A w 的理想 材料。此外纳米氧化锌具有良好的高频特性，随着 数字传输和移动通信信息传输量的增大，S A W 也要 求超过1 G H z 的高频，因此纳米氧化锌压电薄膜在 高频滤波器、谐振器、光波导等领域有着广阔的发展 前景。N ．K ．Z n y e r 等人的研究表明E 1 2 ] ，利用基片 上沉积轴定向的纳米氧化锌薄膜具有很好的压电 性，在9 G H z 附近的高频区表现出很好的电声转换 效应及低嵌人损耗 4 9 d B 等特征，是制备高频纤维 声光器件如声光调制器等的良好压电转换器材料。 此外利用氧化锌的压电性能，还可制成压电音叉振 子、表面滤波器等。 7 半导体材料 由于纳米氧化锌的半导体性质[ 1 9 1 和对可见光 万方数据 有色金属第5 7 卷 的高透过性 透过率高达8 0 ％ ，用纳米氧化锌制作 的晶体管有不寻常的透明特性。这方面美国俄勒冈 州立大学已经制作出全透明晶体管[ 2 0 ] 。利用透明 晶体管能显著提高液晶显示器的品质，由此制成的 屏幕更清晰、更明亮。采用这种晶体管的液晶显示 器可以取消不起任何电学作用的显示器保护玻璃， 从而能减轻液晶显示器的质量。透明晶体管的应用 范围非常广泛家用电器、太阳能电池、汽车挡风玻 璃、交通工具和军事用途。氧化锌不仅价格低廉、安 全和容易加工，而且具有良好的导电性能，无需高温 工艺即可轧制成薄层，因此具有非常广阔的工业应 用前景。 8 光电转化材料 先进的光电器件是很多现代行业发展的基础之 一。纳米氧化锌作为一种带宽约为3 ．3 7 e V 的n 一 型半导体物质，具有很好的光电性质。并且这种光 电性质与材料的化学组成、能带结构、空穴数量及结 晶度紧密相关，于是在适当的制备条件及掺杂之下， 纳米氧化锌就能表现出极好的光电性质。具有较高 参考文献 的光透过率，在可见光区光透过率接近8 0 ％，在紫 外光的照射下纳米氧化锌对可见光的透过率基本保 持不变。纳米氧化锌的低阻持征、高透光率和大的 禁带宽度使其成为一种重要的电极材料和光电材 料，如用作太阳能电池的电极、液晶元件电极、太阳 能电池的窗口材料、光波导器材料、低损耗光波导器 材料等。而它的发光性质及电子辐射稳定性则使其 成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料， 并在紫外光二极管激光器等电发光器件领域有潜在 的应用前景【”J 。 9结语 纳米氧化锌由于其独特的电、光、物化性能，在 不同的电子器件领域得到非常广泛应用。随着新功 能的不断发现，其巨大的应用潜力越来越显现出来。 由于纳米氧化锌制品的许多制作工艺与集成电路工 艺相容，可与硅等多种半导体器件实现集成化，因而 备受重视，具有广阔的发展前景。当然，纳米氧化锌 的应用研究还处于初级阶段，应用基础理论还有待 进一步的深入研究。 [ 1 ] 卢寿慈．粉体加工技术[ M ] ．北京中国轻工业出版社，1 9 9 8 ． [ 2 ] J o h n s o nMAL ，S h i z u oF u j i a n ，R o w l a n dWH ，e ta 1 ．M B Eg r o w t ha n dp r o p e r t i e so fZ n Oo ns a p p h i r ea n d S i Cs u b s t r a t e s [ J ] ． JE l e c t r o n i cM a t e r i a l s ，1 9 9 6 ，2 5 5 8 5 5 8 6 2 ． [ 3 ] M e u l e n k a m pEA ．S i z ed e p e n d e n c eo ft h ed i s s o l u t i o no fZ n On a n o p a r t i c l e s [ J ] ．JP h y sC h e m ，1 9 9 8 ，B 1 0 2 7 7 6 4 7 7 6 9 ． [ 4 ] 李维芬．纳米材料的性质[ J ] ．现代化工，1 9 9 9 ，1 9 6 4 4 4 7 ． [ 5 ] 孙琦．盛京．纳米材料的技术发展及应用[ J ] ．化工进展，1 9 9 7 ， 1 4 8 5 3 ． [ 6 ] Y uP ，T a n gZK ，W o n gG KL ，e ta 1 ．U l t r a v i o l e ts p o n t a n e o u sa n ds t i m u l a t e de m i s s i o n sf r o mZ n Om i c r o c r y s t a l l i t et h i nf i l m sa t r o o mt e m p e r a t u r e [ J ] ．S o l i dS t a t eC o m m u n i c a t i o n s ，1 9 9 7 ，1 0 3 8 4 5 9 4 6 3 ． [ 7 ] M a s a r uM i y a y m a e ，K a z u y a s uH i k i t a ，G a k u j iU o z u m ] ，e ta 1 ．A Ci m p e d a n c ea n a y l y s i so fg a s - s e n s i n gp r o p e r t yi nC u O ／Z n Oh e t e r o c o n t a e t s 【J j ．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB ，1 9 9 5 ，2 4 ／2 5 3 8 3 3 8 7 ． [ 8 ] W o n gEM ，S e a r s o nP C ．Z n Oq u a n t u mp a r t i c l et h i nf i l m sf a b r i c a t e db ye l e e t r o p h o r e t i cd e p o s i t i o n [ J ] ．A p p lP h y sL e t t ，1 9 9 9 ， 7 4 2 0 2 9 3 9 2 9 4 1 ． [ 9 ] 袁方利，李晋林，黄淑兰，等．超细氧化锌的制备及应用新进展[ J ] ．材料导报，1 9 9 8 ，1 2 6 3 2 3 5 ． [ 1 0 ] 唐九耀，川上养一，藤田茂夫．Z n l x C A t x S e ／Z n S e 量子限制s t a r k 效应光调制器[ J ] ．半导体学报，2 0 0 0 ，2 1 1 7 9 8 4 ． [ 11 ] S a k o h a r aS ，T i c k a n e nLD ，A n d e r s o nMAJ ．L u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so ft h i nz i n co x i d em e m b r a n ep r e p a r e db yt h es o l g e l t e c h n i q u e [ J ] ．JP h y sC h e m ，1 9 9 2 ，9 6 1 1 0 8 6 一1 1 0 9 1 ． [ 1 2 3Z a y e rNK ，G r e e fR ，R o g e r sK ，e ta 1 ．I ns i t um o n i t o r i n go fs p u t t e r e dz i n co x i d ef i l m sf o rp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r s [ J ] ．T h i n S o l i dF i I m ，1 9 9 9 ，3 5 2 1 7 9 1 8 4 ． [ 1 3 ] S e i y a m aT ，K a t oA ，F u j i i s h iK ，e t a 1 ．An e wd e t e c t o rg a s e o u sc o m p o n e n t su s i n gs e m i c o n d u c t i v et h i nf i l m s [ J ] ．A n a lC h e m ， 1 9 6 2 ，3 4 1 5 0 2 1 5 0 3 ． [ 1 4 ] 黄勇，陈国华．敏感材料的制备及展望[ J ] ．佛山陶瓷，2 0 0 3 ， 3 4 8 ． [ 1 5 ] T a n gZK ，Y uP ，W o n gG e o r g eKL ，e ta 1 ．R o o mt e m p e r a t u r eu l t r a v i o l e tl a s e re m i s s i o nf r o mm i e r o s t r u c t u r e dZ n Ot h i nf i l m [ J ] ．N o n l i n e a rO p t ，1 9 9 7 ，1 8 3 5 5 3 6 2 ． 下转第4 8 页，C o i a t i n u e donP ．4 8 万方数据 M a r i n eN o d u l e sR e d u c t i o nB i o l e a c h i n gw i t hA c i d o p h i l i cH e t e r o t r o p h s D Uz h 咖w e i ．L lH a o r a n N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo t ‘B i o c h e mi c a lE n g i n e e r i n g ，I n s t i t u t eo fP r o c e s s E n g i n e e r i n g ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g10 0 0 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t B i o r e d u c t i o no fM n O zi nt h em a r i n en o d u l e sb ya c i d o p h i l i ch e t e r o t r o p h si s o l a t e df r o ms u b m a r i n es e d i m e n ti s i n v e s t i g a t e d ．T h er e d u c t i o nr a 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e si n n a n o c r y s t a l l i n eZ n Op a r t i c l e su p o np h o t o e x c i t a t i o n [ J ] ．JP h y sC h e mB ，2 0 0 0 ，1 0 4 1 7 1 5 1 7 2 3 ． [ 1 7 ] S u z u o k iY ，O h k iA ，M i z u t a n iT ，e ta 1 ．E l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fZ n O - B i 2 0 3t h i n f i l mv a r i s t o r s [ J ] ．JP h y sD A p p lP h y s ，1 9 8 7 ， 2 0 5 1 1 5 1 7 ． [ 1 8 ] 张国斌，K i r mM ．S i 基沉积Z n O 薄膜的光谱特性[ J ] ．发光学报，2 0 0 1 ，2 2 2 1 5 7 1 5 9 ． [ 1 9 ] M e u l e n k a m pEA ．S y n t h e s i sa n dg r o w t ho fZ n On a n o p a r t i c l e s [ J ] ．JP h y sC h e mB ，1 9 9 8 ，1 0 2 5 5 6 6 5 5 7 2 ． [ 2 0 ] A n o n y m ．首个透明晶体管问世[ J ] ．国外科技动态，2 0 0 3 ， 4 4 8 4 8 ． A p p l i c a t i o no fN a n o m e t e rZ i n cO x i d ei nE l e c t r o n i c s - e l e c t r i c i t yI n d u s t r y S U NL i - j u n ，Z H A N GW e n b i n ，H O UX i a n g - y a n g F a c u l t yo l 。M a t e r i a la n dM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n 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