氧化锌薄膜传感器的压电输出与机电响应增强：取向诱导与快速沉积策略

这篇研究通过取向诱导层（OIL）结合快速沉积技术，显著提升了氧化锌（ZnO）薄膜的压电性能和机电响应。研究揭示了OIL对薄膜生长结构和压电极化的调控机制，并通过实验与密度泛函理论（DFT）分析了氧空位、载流子浓度和能带结构的影响。开发的ZnO OIL传感器在螺栓轴向力测量和运动压力检测中展现出高灵敏度（1.09 V/N）和快速响应（2.4 ms/7.7 ms），为航空航天连接系统的健康监测提供了新思路。

　　

1 引言

螺栓紧固件是机械设备中广泛使用的关键部件，其轴向力状态直接影响设备的安全性和可靠性。航空航天发动机中的螺栓常面临高温、振动和循环载荷等极端工况，易发生松动或断裂。传统检测方法存在局限性，而基于压电薄膜的超声波传感器因其高精度、快速响应和耐恶劣环境等优势成为研究热点。氧化锌（ZnO）作为压电半导体材料，具有优异的机电耦合系数和环境友好性，但其^c轴取向一致性和压电响应机制仍需深入探索。

2 结果与讨论

2.1 ZnO OIL薄膜的制备

采用射频（RF）磁控溅射技术，通过低功率（50 W）沉积OIL层诱导后续高功率（200 W）快速沉积ZnO薄膜的生长取向。扫描电镜（SEM）显示薄膜呈现致密的蠕虫状表面和典型柱状晶结构，OIL层使近基底区域结构更致密。

2.2 结晶取向与力学性能

掠入射X射线衍射（GI-XRD）表明OIL层使薄膜从半极性（103）取向完全转变为^c轴（002）取向。纳米压痕测试显示弹性模量高达140 GPa，第一性原理计算揭示了六方ZnO沿^c轴方向的弹性各向异性。

2.3 形貌与结构演变

透射电镜（TEM）分析发现，OIL层提供^c轴取向晶核，而晶界处通过位错和失配结构实现局部应力释放，维持整体取向一致性。

2.4 压电性能

压电力显微镜（PFM）显示ZnO OIL薄膜的压电振幅提升至101 pm，相位翻转180°，表明Zn极性主导的压电响应增强。

2.5 氧空位与电子特性

X射线光电子能谱（XPS）证实OIL层降低氧空位浓度，紫外光谱显示带隙从2.93 eV增至3.03 eV。莫特-肖特基测试表明载流子浓度从5.9×10¹⁹ cm^?3降至2.6×10¹⁹ cm^?3，减少电荷屏蔽效应。

2.6 电子结构

密度泛函理论（DFT）计算表明，氧空位增加会在带隙中引入缺陷态，而（002）晶面相比（103）晶面具有更低的费米能级附近态密度，电子稳定性更高。

2.7 传感器性能

ZnO OIL传感器在1.96 N载荷下输出2.51 V电压和9.96 mA电流，灵敏度达1.09 V/N。2000次循环测试后性能稳定，响应时间仅2.4 ms。

2.8 超声波检测应用

集成于螺栓端面的传感器通过声弹性原理测量轴向力，飞行时间（ToF）校准误差控制在10%以内，验证了航空航天螺栓健康监测的可行性。

3 结论

OIL层通过取向诱导和晶界失配结构调控，实现了ZnO薄膜的高一致^c轴取向和压电增强。电子结构优化与载流子浓度降低共同提升了机电转换效率，为智能螺栓等连接系统的实时监测提供了可靠解决方案。