专利名称：一种异质结纯电阻-二极管复合温度计的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种异质结纯电阻-二极管复合温度计，属于半导体材料与器件领域。
背景技术：
现有的温度计可测量的温度范围通常比较窄，当要测量宽范围温度的情况下，必须准备几个温度计用于不同范围的温度测量。因此制备一种可以同时精确测量高低温度的温度计将给各种复杂情况下温度测量带来极大的方便。CN200510011171. 5 (CN1632484A)提供了一种基于无序多壁碳纳米管一异质结的温度传感器，包括绝缘绝热管，填充在绝缘绝热管内的多壁碳纳米管粉末柱，设置在多壁碳纳米管粉末柱一端且与碳纳米管粉末柱紧密接触形成碳纳米管一金属异质结的金属温度 探头以及封压在碳纳米管粉末柱另一端的导电金属块。工作时，先把电极和外电路测量仪表相连接，然后将金属温度探头与被测物体相接触，这样，由于碳纳米管一金属异质结的存在，电路中会产生随温度变化的热致电流，可测量温度范围宽，在大范围内均能保证同样的测量精度，对温度的响应时间快。研究发现，金属/绝缘体/金属(MM)结构中会由于氧化还原反应导致明显的电致阻变现象。但该理论研究尚未有应用于温度计的产品开发的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Co/CoO-ZnO/Ag异质结的异质结纯电阻-二极管复合温度计，可用于微米范围温度测量。本发明还提供所述复合温度计的制备方法。术语说明电致电阻外加电脉冲引起的样品在几个稳定电阻状态之间来回转换的现象。双极阻变样品的电阻转变依赖于所加电信号的极性，例如加正向电压时样品由高阻态变为低阻态，加反向电压时由低阻态变为高阻态。HRS :高阻态，此时样品处在高电阻状态，表现出半导体导电特性，相应的R-T曲线可被用来测量低温。LRS :低阻态，此时样品处在低电阻状态，表现出金属导电特性，相应的R-T曲线可
被用来测量高温。Vset:样品由HRS变为LRS时所需的外界电压。Vreset:样品由LRS变为HRS时所需的外界电压。微米范围温度测量，是指5ΙΓ300Κ范围的温度测量，测量物体的尺寸可以小到微米级。本发明的技术方案如下异质结纯电阻-二极管复合温度计，包括使用Co/CoO-ZnO/Ag异质结,该异质结中Co为下电极，Ag为上电极，CoO-ZnO为复合绝缘层。在CoO-ZnO复合绝缘层中，ZnO层存在氧空位(v)，ZnCVv为η型半导体，CoCVx为P型半导体，两者形成ρ-η结，表现出二极管导电特性。由于异质结对于温度反应很灵敏，可以达到对于微米级物体有温度感应。因此本发明的异质结纯电阻-二极管复合温度计可用于微米范围物体的温度测量。该系列异质结能在外加电压的作用下产生稳定的双极阻变效应，测量过程中选定下电极Co接地。当上电极Ag加一定的正电压时，异质结会由高阻态变为低阻态，此时的电压称为Vset ;当上电极Ag加一定的负电压时，则会由低阻态变为高阻态，此时的电压称为Vreset。当异质结处在高阻态时，其电阻随温度的升高而降低，表现出半导体导电特性，且低温区电阻随温度的变化幅度较大，因此可以利用异质结的高阻态准确测量低温。当异质结处在低阻态时，其电阻随温度的升高而增大，表现出金属导电特性，因此可以利用异质结的低阻态测量高温。这样，由于异质结能在外加电压的作用下发生电致阻变，电路中会产生 随温度变化的电流。在测量时，把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，外电路中设有两个档位，分别对应两个反向电源；当电压银正、钴负时异质结处于低阻态，利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温；当电压是银负、钴正时异质结处于高组态；利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，从而实现一支温度计可测量5K-300K的温度范围。本发明的温度计，当测量温度在5K-70K范围内，利用高电阻状态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为lnR=6. 59+2. 24*T_1/4。本发明的温度计，当测量温度在70Κ-300Κ范围内，利用低电阻态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为R=51. 35+0. 068T。本发明操作简单，功耗低，在±1V的外加电压刺激下即可实现两种阻态，即温度测量时两个档位之间的相互转化，可精确测量低至5K的低温，而且测量精度高，制备方法简单，具有很广阔的应用前景。本发明人经过长期的实验研究，发现中间ZnO绝缘层和下电极Co金属之间形成的CoO层对此异质结的电致电阻现象起着决定性的作用，并通过精确控制异质结制备过程中的溅射功率、溅射时间以及溅射过程中的氧分压成功制备出基于异质结Co/CoO-ZnO/Ag的微米温度计。根据本发明，温度计所述异质结Co/CoO-ZnO/Ag的制备方法，利用磁控溅射方法在衬底上生长上下电极以及中间ZnO绝缘层，工艺条件及步骤如下溅射室真空抽至7. 5 X l(T5Pa，以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和纯度99. 99%以上的Co金属和纯度99. 99%以上的Ag金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co和Ag分别置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。Co的溅射功率为5W，溅射气压为O. 58Pa。ZnO的溅射功率为15W，溅射气压为O. 65Pa。Ag的溅射功率为5W，溅射气压为O. 55Pa。在衬底上方放置第一层不锈钢掩膜，分别沉积I 2nm Cr, 25 35nmAg, 8 12nm Co,其中Cr作为缓冲层，Ag为金属上电极，Co作为异质结的下电极。然后更换上第二层不锈钢掩膜，派射沉积8 12nm的ZnO层，ZnO的生长气氛为Ar气与O2气的混合气,其中氧气体积比为5%。。ZnO与Co交界面处的钴被氧化锌中的氧离子氧化形成CoO层，CoO层不是直接沉积层。然后更换上第三层不锈钢掩膜，溅射55飞OnmAg作为金属上电极。利用磁控溅射方法生长的Co/CoO-ZnO/Ag异质结能在外加电压的作用下发生电致阻变，实现该异质结金属导电和半导体导电两种导电状态之间的相互转换。利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温，利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，从而实现一支温度计可测量5K-300K的温度范围在本发明使用的异质结，如Co/CoO-ZnO/Ag异质结，中间ZnO层存在大量的氧空位，氧空位在外加电场的作用下发生定向移动，使CoO-ZnO复合绝缘层中的CoOh层发生金属-绝缘体相变，实现纯电阻与二极管相互转化，从而引起该异质结的电致阻变现象。当带正电的氧空位在外加电场的作用下向Co电极移动时，CoOh层转变为金属CO，CO/CO0-Zn0/Ag处在低电阻状态，此时异质结表现出金属导电特性，电阻随温度的升高而线性增加，利用此时的R-T曲线能很方便的测量高温。当氧空位在外加电场的作用下往ΖηΟ/Ag电极移动时，CoOh层变成更绝缘的CoO，甚至COl_x0 P型半导体，与η型ZnCVv半导体形成Ρ_Ν结，从·而表现出半导体导电特性，此时异质结的电阻随温度的升高而降低，且低温下电阻随温度变化幅度较大，因此利用此状态下的R-T曲线精确地测量低温。本发明的温度计，测量方法如下本发明的异质结纯电阻-二极管复合温度计，在测量时先把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，工作电路图如图2所示。然后将异质结的金属上电极Ag和待测物体接触，通过热传递，待测物体与异质结有相同温度。根据待测物理的温度范围选择档位。高温选择I档位，低温选择2档位。当打到SI档位时，异质结处于低阻态，表现出金属特性，可测量高温，当打到S2档位时，此时异质结处于高阻态，表现出半导体特性，可测量低温。对应不同的待测物体的温度，异质结会有不同的电阻，所以电流表示数会随着待测物体的温度改变而改变，并一一对应。根据对应关系可得到温度。当测量温度在5Κ-70Κ范围内，利用高电阻状态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为:R 二 e6'59+2-24*rlM , I=E2/R。当测量温度在70K-300K范围内，利用低电阻态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为R=51. 35+0. 068T, I=E1/R。本发明的异质结纯电阻-二极管复合温度计可测量温度范围宽，在大范围内均能保证同样的测量精度。±1V的外加电压刺激下即可实现两种组态即温度测量时两个档位之间的相互转化，对温度的响应时间快。从电流表即可读出示数，和温度一一对应。
图I. Co (IOnm)/CoO-ZnO(IOnm)/Ag(60nm)异质结结构及电阻转变测量的原理图。图2为温度计工作示意图。E1、E2是I. 5V电池，对应的电路开关是S1、S2。图3.实施例I双极阻变的I-V曲线。在正向电压的作用下，由高阻态变为低阻态，其中Vset=+0. 7V，实施例在负向电压的作用下，由低阻态变为高阻态，其中Vreset=-O. 8V。当实施例处在低电阻状态时，I-V曲线为线性，表现为纯电阻的性质。图4.实施例I的电阻R与温度T的关系曲线。当实施例处在低电阻状态时，电阻随温度的升高而增大，表现为金属导电的性质；当实施例处在高电阻状态时，电阻随温度的升高而减小，表现为半导体导电的性质。图5为实施例I高阻态下的R-T曲线。当测量温度在5K-70K范围内时，高电阻状态的电阻与温度的对应关系为lnR=6. 59+2. 24*T_1/4。图6为实施例I低阻态下的R-T曲线。当测量温度在70Κ-300Κ范围内时，低电阻状态的电阻与温度的对应关系为R=51. 35+0. 068T
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例I :Co (IOnm) /CoO-ZnO (IOnm) /Ag (60nm)异质结的制备利用磁控溅射的方法，在衬底上生长上下电极以及中间ZnO绝缘层，并利用不锈钢掩膜法进行制备；工艺条件及步骤如下溅射室真空抽至7. 5 X l(T5Pa，以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属和Ag金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co和Ag分别置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。Co的溅射功率为5W，溅射气压为O. 58Pa。ZnO的溅射功率为15W，溅射气压为O. 65Pa。Ag的溅射功率为5W，溅射气压为O. 55Pa。在水冷的玻璃衬底上方放置第一层不锈钢掩膜，用金属夹将衬底托、玻璃衬底和掩膜固定防止错位，分别沉积I. 5nm Cr,30nmAg, IOnm Co,其中Cr作为缓冲层，Ag为金属上电极，Co作为异质结的下电极。之后更换为第二层不锈钢掩膜，溅射沉积IOnm ZnO，其中ZnO的生长气氛为Ar气与O2气的混合气，其中氧气体积比占5%。。ZnO与Co交界面处的钴被氧化锌中的氧离子氧化形成CoO层。然后更换第三层不锈钢掩膜，溅射60nm Ag作为金属上电极。上述的中间氧化层材料为存在大量氧空位的ZnO，属于宽禁带半导体材料。本发明所用的衬底材料为康宁D 263 eco T玻璃衬底。本发明应用金属掩膜的方法制备异质结。整个异质结的厚度在IOOnm之内。异质结可以制作成面积小于0.01平方毫米的微型温度计，可用于对一个“点”测温，即微米范围的温度测量。异质结双极阻变效应实验实验方法测量过程中选定下电极Co接地。当上电极Ag加一定的正电压时，样品会由高阻态变为低阻态，此时的电压称为Vset0当上电极Ag加一定的负电压时，样品会由低阻态变为高阻态，此时的电压称为Vreset0实验结果(I)当样品处在高阻态时，样品电阻随温度的升高而降低，表现出半导体导电特性，且低温区电阻随温度变化幅度较大，因此可以利用样品的高阻态准确测量低温。
(2)当样品处在低阻态时，样品的电阻随温度的升高而增大，表现出金属导电特性，因此可以利用样品的低阻态测量高温。温度测量测量时，把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，外电路中设有SI、S2两个开关，分别对应两个反向的I. 5V电池电源；当打到I档位时，电压是银正、钴负，氧离子是跑向氧化锌，处于低阻态，当打到2档位时，电压是银负、钴正，氧离子跑向氧化钴，处于高组态。利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温，利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，从而实现一支温度计可测量5K-300K的温度范围。应用例测量温度为290K的水温。I将开关SI闭合，温度计打到I档位。
2将异质结整体和水充分接触，待温度稳定后，读出电流表数据O. 021A.3 根据 R=51. 35+0. 068T, I=E1/R 关系可得，温度为 290k。
权利要求
1.异质结纯电阻-二极管复合温度计，其特征在于采用Co/CoO-ZnO/Ag异质结，该异质结中Co为下电极，Ag为上电极，CoO-ZnO为复合绝缘层。
2.如权利要求I所述的温度计，其特征在于在测量时，把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，外电路中设有两个档位，分别对应两个反向电池电源；当电压银正、钴负时异质结处于低阻态，利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温；当电压是银负、钴正时异质结处于高组态；利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，测量温度范围5K-300K。
3.如权利要求I或2所述的温度计，其特征在于，当测量温度在5K-70K范围内，利用高电阻状态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为lnR=6. 59+2. 24*T_1/4。
4.如权利要求I或2所述的温度计，其特征在于，当测量温度在70Κ-300Κ范围内，利用低电阻态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为R=51. 35+0. 068T。
5.一种异质结Co/CoO-ZnO/Ag的制备方法，利用磁控溅射方法在衬底上生长上下电极以及中间ZnO绝缘层，工艺条件及步骤如下 溅射室真空抽至7. 5 X l(T5Pa，以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷、纯度99. 99%以上的Co金属和纯度99. 99%以上的Ag金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co和Ag分别置于直流靶；以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室；Co的溅射功率为5W，溅射气压为O. 58Pa。ZnO的溅射功率为15W，溅射气压为O. 65Pa ；Ag的溅射功率为5W，溅射气压为O. 55Pa ； 在衬底上方放置第一层不锈钢掩膜，分别沉积l 2nm Cr,25 35nmAg,8 12nm Co,其中Cr作为缓冲层，Ag为金属上电极，Co作为异质结的下电极。然后更换上第二层不锈钢掩膜，溅射沉积8 12nm的ZnO层，ZnO的生长气氛为Ar气与O2气的混合气，其中氧气体积比为5%。;2110与Co交界面处的钴被氧化锌中的氧离子氧化形成CoO层，CoO层不是直接沉积层；然后更换上第三层不锈钢掩膜，溅射55飞OnmAg作为金属上电极。
全文摘要
本发明涉及一种异质结纯电阻-二极管复合温度计，采用Co/CoO-ZnO/Ag异质结，该异质结中Co为下电极，Ag为上电极，CoO-ZnO为复合绝缘层。在测量时，把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，当电压银正、钴负时异质结处于低阻态，利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温；当电压是银负、钴正时异质结处于高组态；利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，测量温度范围5K-300K。本发明的温度计可测量温度范围宽，在大范围内均能保证同样的测量精度。对温度的响应时间快且很灵敏，可用于微米级物体的温度测量。
文档编号G01K7/16GK102944322SQ20121048501
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者颜世申, 李强, 沈婷婷, 曹艳玲, 张昆, 代正坤, 刘国磊, 陈延学, 梅良模 申请人:山东大学