基于一维氧化锌纳米线晶体管的压敏效应研究

Zinc oxide (ZnO) force sensors made of single microbelts or nanowires have attracted considerable attention due to their ultrahigh sensitivity (nano-Newton) and small size (around 100nm) for potential application in weak force sensing. The major issue that hinders their practical application is the uncontrollable device parameters, especially the sensitive force region. Some work in nano-Newton, while some may in micro-Newton. The parameter is unpredicted before measured. .The objective of this project is to develop a method for controlling device parameter of the force sensor based on ZnO nanowires by revealing the mechanism behind the Schottky barrier fluctuant with the piezoelectric potential in piezoelectric nanowires when force applied. .All the investigations will be performed on vertical nanowire-based force sensors. The devices will be obtained by deposited metal electrodes on the top of hydrothermally grown vertical ZnO nanowires associated with lithography. The device will be linked out with conductive atomic force microscope probe from the top metal electrode and bottom ZnO seed layer acts as the other electrode. .We will focus on the influence from material properties of ZnO nanowires, Schottky junction and size effect on the device performance. A theoretical model will be built based on the analysis results of various electrical measurements and a technical routine will be proposed to control the device parameters. Our research will provide significant guide for piezoelectric force sensors based on single ZnO nanowires.

氧化锌纳米线压敏晶体管以其超高的灵敏度（纳牛量级）、极高的理论集成密度（单个晶体管的尺寸只有几百甚至几十纳米）在微纳米领域微弱机械信号的传感与监测方面展示了广阔的应用前景。然而目前晶体管的器件参数难于控制，限制了器件的进一步发展。. 本项目拟通过研究垂直的单根氧化锌纳米线晶体管，探讨压敏晶体管工作的内在物理机制，探索控制晶体管工作参数的可行性技术方案。将利用水热合成的方法合成垂直的氧化锌纳米线阵列，结合光刻与溅射技术获得具有顶电极的单根垂直氧化锌纳米线晶体管阵列；通过导电原子力技术实现对单个晶体管的定位、连接；利用综合电学分析技术，研究氧化锌纳米线的材料特性、电极接触及尺寸效应对晶体管压敏性能影响的规律性，揭示纳米线压敏晶体管工作的内在物理机制，提出对晶体管工作参数控制的技术方案。本研究项目的实施可为氧化锌纳米线晶体管工作参数的控制提供一定的实验方案和指导理论。

基于氧化锌（ZnO）压电电子学效应的压敏晶体管以超高的灵敏度（纳牛量级）、极大的开关比（高达1250）和极小的晶体管尺寸（几十纳米）为微/纳尺度下的微弱机械信号的传感与监测提供了可能，并有望集成为大面积、高分辨的传感器件阵列以满足特殊领域的应用需求。然而，ZnO纳米线压敏晶体管距器件的实际应用还有一定的距离，主要困难在于晶体管工作参数的控制以及势垒的高度和宽度特征参数的控制。参数的控制与性能的优化有赖于相关指导理论的发展，然而目前有关ZnO纳米线压敏晶体管的工作机制的物理模型尚不健全，对制备器件的指导作用非常有限。所以基于ZnO纳米线的压敏晶体管工作机制的探讨必须突破传统直流伏安分析技术的局限性，从晶体管内部的实际情况出发，精确地估计或测量肖特基势垒高度的变化，同时晶体管工作机制模型的建立必须是基于对晶体管各影响参数的实际测量与综合分析之上。.因此，本项目针对基于垂直ZnO纳米线的压敏晶体管的器件结构，探讨了ZnO纳米线压敏晶体管工作的内在物理机制。主要成果有：（1）基本掌握了控制氧化锌纳米线形貌的水热合成技术方案。（2）掌握了氧化锌纳米线阵列的顶电极制备技术，构建了氧化锌纳米线压敏晶体管。（3）通过改变压力的方法，研究了肖特基势垒高度随压力的变化。我们利用交流阻抗分析技术将器件中的电阻效应与肖特基结势垒的整流效应分开，也就分别获得到了ZnO纳米线的压阻效应和肖特基结的压电电子学效应。（4）对于压力作用下电阻和肖特基势垒的数值，我们通过相互印证的两种手段进行分析。.实验结果显示，通过传统直流分析技术计算的肖特基势垒比利用电化学阻抗谱计算的要高，其主要原因是传统直流分析技术没有排除压阻效应的影响，本实验研究给出了电阻和肖特基势垒随应力变化最为直观的证据，并进行了定量的运算分析。本技术对于揭示压电电子学效应的内在物理机制具有非常重要的意义，同时也为压电电子学器件的设计提供了一定的依据。