压阻效应-浙江海洋材料和防护技术重点室.ppt

* 广义的压阻效应：材料发生形变之后，电阻发生变化的现象 * 电阻变化一方面依赖于材料形貌的变化，一方面依赖于电阻率的变化：形貌对于GF贡献一般为1.4～2。对于金属材料，形变贡献约为0.3，而对于Si，Ge等材料在某些方向上，其贡献可为形貌的50～100倍 * 金属：与半导体应变仪比，g值较小，应用广泛，不需要半导体的掺杂等后续过程，处理温度较低；与Si相比，断裂前的伸长率更大，在聚合物MEMS（微机电系统）中可以提高其机械性能。 * CNTs：压阻效应来源能带shift * 与异质外延C以及poly-C相比，非晶碳膜对于基底生长时的温度要求低，生产成本低，工艺简单，不需要额外掺杂，与a-Si 和c-Si:H相比，摩擦性能更好，在恶劣环境下更稳定。 * * 从能量最低的角度解释团簇现象：非局域的π键促进sp2 site先配对形成类乙烯结构中的C=C键，然后结合形成平面6元苯环，最终团聚到一起，在sp3基质中形成芳香环，石墨团簇结构。团簇过程中π键增强，形成带边，决定了带宽。 非晶C膜无序性不利于団簇行为，导致团簇尺寸很小，只有2—10个原子。从能量角度讲，sp2 site更倾向于形成环状而不是链状结构，但是这种转化不足以克服无序能。 变形的団簇具有小得多的带隙，并且带隙是由环或者是链的扭曲决定，而不是団簇的尺寸。 其中无序势为ΔV，无序势与带宽B（配位数Z与相互作用能V的乘积的2倍,对S态）；某个带为定域态的条件为ΔV/B1 * 约化普朗克常数，狄拉克常数?，定域化长度ε=?/(2mV),m为电子质量，而V为隧穿效应势垒 * * 压力p25bar，2.5Mpa采用membrane材料，但是基于机械形变，导致相应较慢，大部分为1KHz。而压电传感器可超过100KHz 电极材料：CrNi (50 nm), Al (500 nm), and FeNi (400 nm), * 压力可达1000 bar=100Mpa，压力采用商用膜传感器，温度采用商用热电偶 * * 非晶碳膜的压阻效应 From： 郭 鹏 Date：2013-10-12 中科院海洋重点实验室学术交流活动 提纲 压阻效应背景 1 DLC的压阻效应 2 DLC压阻应用探索举例 3 展 望 4 * 一 压阻效应背景 1.什么是压阻效应？ 压阻效应（狭义）：是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。 压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的传感器中，形成商品化产品，比如：压力传感器及加速度传感器。 2. 压阻效应的应用？ * 背景 3.压阻效应的主要研究进展 1856年 William Thomson (Lord Kelvin)发现铁铜材料拉长后的电阻变化 1932年 Allen第一次测量了单晶铋，锑，镉，锌和锡中不同取向的应变电导率关系。 1950年 Bardeen和Shockley预测在单晶半导体中会有明显的压阻特性 Proc IEEE Inst Electr Electron Eng. 2009 ; 97(3): 513–552. C. S. Smith在硅和锗中测的了巨大的压阻效应。 20世纪50年代末期 1958年，Kulite Semiconductor公司是Bell实验室压阻专利的第一个授权使用者 * 背景 4.压阻效应研究的重要物理概念 1. 对于结构均匀的材料，其电阻 其中l为式样长度，a为式样平均截面积， 为材料的电阻率。 电阻R随应力变化，主要在于电阻是形貌与电阻率的函数，比如纵向拉长会使其截面积按照材料的泊松比减小。 2. gauge factor (GF)定义为 * 二 DLC的压阻效应 为什么要研究DLC的压阻效应？ 金属体系： g值较小0.8~3.0 ，不需掺杂 Si，Ge体系：g值可达177 ，有方向性 GexSi1-x （x=0.01~0.05）在低温（T50k）会出现巨压阻效应（1） ZnO，TiO2 ，ITO体系：柔性聚苯乙烯基底表面加入锑掺杂的ZnO，纵向压阻系数为350 （2） 橡胶体系： 炭黑作为导电相，硅橡胶作为基体材料，具有压电特性（3） 其他： SiC， Nanowires， TaN-Cu， GaN，分子有机半导体，水泥基复合材料体系 （1） Materials Science in Semiconductor Processing, 2005. 8(1-3): p. 193-196. （2）Applied Physics Letters, 2010. 97(22): p. 223107. （3）Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sc