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基于Al微纳结构调控的DLC压阻材料设计制备及机理研究

微米级铝颗粒，非晶碳膜，压阻机制

非晶碳(a-C)由于在恶劣环境下具有优异的电气、机械和化学性能，此外，a-C具有显著的压阻传感特性，通过引入正电阻温度系数(TCR)的金属元件可以有效降低其较大的数(TCR)，因此作为一种新型传感材料，在严苛工况中具有广阔的应用前景。而传统的磁控溅射技术难以独立调节非晶碳基体中金属原子或金属碳化物的大小和分布，金属团簇容易相互接触并主导了电导行为，使得GF降低，且可能会对非晶碳本身优异的机械性能造成影响。因此，如何同时实现低TCR和高GF，并揭示薄膜中潜在的载流子输运特性是一个有待解决的问题。本文采用成熟的脱湿方法，将不同分布特征的微米级Al颗粒引入到a-C膜中。结果表明，相较于未引入Al颗粒的a-C薄膜，在a-C薄膜中引入微米级Al颗粒后可以有效提高GF，最高可提升4倍，同时也降低了TCR。Al颗粒能促进sp<sup>2</sup>键的形成，且降低了a-C表面的局部电位，表明Al颗粒的引入形成了新的导电路径。Al颗粒的引入没有改变a-C的典型半导体特性，而符合三维Mott变程跳跃传导的载流子输运机制在较大的温度范围内占主导地位，最高可达300 K。紫外光电子能谱测试表明，a-C的功函数为4.71eV，其功函数大于Al，在两者接触界面形成了大小为0.43eV的肖特基势垒。紫外光漫反射实验表明样品禁带宽度为3.88eV，表明a-C其费米能级位置更靠近价带，空穴在载流子输运中起主导作用，所形成的势垒为P型阻挡层。由于半导体材料在应变下其能带结构会发生变化使得Al/a-C界面间的势垒高度发生变化，因而在具有高密度的Al/a-C界面的样品表现出优异的压阻性能。