Piëso-elektriese keramiekmateriale is funksionele materiale wat die omskakeling tussen meganiese energie en elektriese energie realiseer (1)

Piëso-elektriese materiale is funksionele materiale wat die omskakeling tussen meganiese energie en elektriese energie realiseer. Die ontwikkeling daarvan het 'n lang geskiedenis. Sedert die ontdekking van die piëso-elektriese effek op kwartskristalle deur die CURIE-broers in die 1880's, het piëso-elektriese materiale wydverspreide aandag getrek. Met die verdieping van navorsing het 'n groot aantal piëzo-elektriese materiale, soos piëzo-elektriese funksionele keramiekmateriale, piëzo-film, piëzo-elektriese saamgestelde materiale, ens. Hierdie materiale het 'n baie wye reeks gebruike, en speel 'n belangrike rol in funksionele omskakelingstoestelle soos elektrisiteit, magnetisme, klank, lig, hitte, humiditeit, gas en krag.

PVDF piëzo-elektriese film
PVDF piëso-elektriese film is polivinielideenfluoried piëso-elektriese film. In 1969 het die Japannese die polimeermateriaal polivinielideenfluoried (polivinielideenfluoriedpolimeer) na verwys as PVDF ontdek, wat 'n baie sterk piëso-elektriese effek het. Die PVDF-film het hoofsaaklik twee piëzo-kristaltipes, naamlik α-tipe en β-tipe. Die α-tipe piëzo-kristal het nie piëzo-elektrisiteit nie, maar nadat die PVDF-film gerol en gestrek is, word die oorspronklike α-tipe kristal in die film 'n β-tipe kristalstruktuur. Wanneer die gestrekte en gepolariseerde PVDF-film in 'n sekere rigting aan eksterne krag of vervorming onderwerp word, ultrasoniese vlak transducer sal die gepolariseerde oppervlak van die PVDF 'n sekere elektriese lading genereer, dit wil sê die piëzo-elektriese effek.

In vergelyking met piëzo-elektriese keramiek en piëzo-elektriese kristalle, het piëzo-elektriese films die volgende voordele:

(1) Ligte gewig, sy digtheid is slegs 'n kwart van die algemeen gebruikte piëzo-elektriese keramiek PZT, geplak op die meet voorwerp het byna geen effek op die oorspronklike struktuur, hoë elastiese buigsaamheid, kan verwerk word in 'n spesifieke vorm Die meetoppervlak is heeltemal toegerus, met 'n hoë meganiese sterkte en impak weerstand;
(2) Hoëspanningsuitset, onder dieselfde spanningstoestande, is die uitsetspanning 10 keer hoër as piëso-elektriese keramiek;
(3) Hoë diëlektriese sterkte wat die effek van 'n sterk elektriese veld (75V / um) kan weerstaan, op hierdie tydstip is die meeste piëzo-elektriese keramiek gedepolariseer;
(4) Die akoestiese impedansie is laag, slegs een tiende van die piëzo-elektriese keramiek PZT, naby water, menslike weefsel en viskose liggaam;
(5) Die frekwensierespons is wyd, en die elektromeganiese effek kan van 10-3Hz na 109 omgeskakel word, en die vibrasiemodus is eenvoudig.

Piëzofilm-eienskappe
1. Diëlektriese konstante
Alhoewel die piëso-elektriese film 'n enkelkristalfilm of 'n polikristallyne film met voorkeuroriëntasie is, is die atoompakking daarin nie so dig en georden soos in die kristal nie, dus is die diëlektriese konstante waarde van die piëso-elektriese film anders as die waarde van die kristal. Daarbenewens is daar dikwels groot oorblywende interne spannings in die film en die redes vir die meting, wat ook veroorsaak dat die diëlektriese konstante waarde van die film verskil van die ooreenstemmende waarde van die kristal.
Bestaande studies het getoon dat die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese film nie net verband hou met die kristaloriëntasie nie, maar ook afhang van die toetstoestande. Die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese film het 'n aansienlike dispersie. Benewens die verskil in interne spanning en toetstoestande, word algemeen geglo dat die verskil tussen die chemiese samestellingverhouding en die filmdikte van die filmsamestelling afneem met die dikte van die film. Dun en klein. Daarbenewens sal die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese dun film ook aansienlik verander met temperatuur en frekwensie.

2. Volumeweerstand
Uit die perspektief van die vermindering van die diëlektriese verlies en ontspanningsfrekwensie van die piëso-elektriese film, word verwag dat dit 'n baie hoë weerstand het, ten minste ρv≥108Ω • cm. Die weerstand van AlN film is 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, wat baie hoër is as 108Ω · cm, so in hierdie opsig is AlN 'n baie uitstekende film. Daarbenewens volg die verandering in elektriese geleidingsvermoë van AlN piëso-elektriese films met temperatuur ook die 1nσ∝1 / T-wet. Nie een van die kristalle met piëso-elektriese effek het 'n middelpunt van simmetrie nie, dus is hul elektronmobiliteit ook anisotropies en hul elektriese geleidingsvermoë is ook anders. Die geleidingsvermoë van die AlN piëso-elektriese film langs die C-as rigting verskil van die rigting loodreg op die C-as. Eersgenoemde is ongeveer 1 tot 2 ordes van grootte kleiner.

3. Verlieshoektangens
Die diëlektriese verliestangens van die AlN piëso-elektriese film is tanδ = 0.003 ～ 0.005, en die tanδ van die ZnO-film is groter, wat 0.005 ～ 0.01 is. Die rede waarom die tanδ van hierdie films so groot is, is dat hierdie films benewens die geleidingsproses ook aansienlike ontspanningsverskynsels het. Soortgelyk aan die diëlektriese dun film, neem die tan δ van die piëso-elektriese dik film geleidelik toe met die toename in temperatuur en frekwensie en die toename in humiditeit. Daarbenewens, soos die filmdikte afneem, is tan δ geneig om toe te neem. Dit is duidelik dat die toename in tan δ met temperatuur te wyte is aan die toename in geleiding en die toename in relaxors. Dit neem toe met frekwensie omdat die aantal ontspanningstye in tyd toeneem.

4. Afbreeksterkte
Omdat die diëlektriese afbreekveldsterkte aan die sterkteparameter behoort, en verskeie defekte onvermydelik in die film is, het die afbreekveldsterkte van die piëso-elektriese film aansienlike verspreiding; die diëlektriese afbreekteorie .Die afbreekveldsterkte behoort geleidelik toe te neem soos die filmdikte afneem. Maar in werklikheid, omdat die film baie defekte bevat, is die effek van die defek meer betekenisvol aangesien die dikte kleiner is, so wanneer die dikte tot 'n sekere waarde verminder word, word die afbreekveldsterkte van die film skerp kleiner. Die afbreekveldsterkte van die film, benewens die redes van die film self, het ook die invloed van die rand van die elektrode tydens die toets. Aangesien hoe dikker die film is, hoe meer ongelyk is die elektriese veld aan die rand van die elektrode, so namate die filmdikte toeneem, neem die afbreekveldsterkte daarvan geleidelik af. Benewens die bogenoemde faktore, hang die afbreekveldsterkte van die diëlektriese film ook af van die filmstruktuur. Vir die piëso-elektriese film hang die afbreekveldsterkte ook af van die rigting van die elektriese veld, dit wil sê, dit is ook anisotropies in die afbreekveldsterkte. As gevolg van die bestaan ​​van korrelgrense in die polikristallyne film is die afbreekveldsterkte daarvan laer as dié van die amorfe film; om soortgelyke redes is die afbreekveldsterkte van die voorkeurgeoriënteerde piëso-elektriese film in die korreloriëntasierigting hoër as dié in die loodregte rigting. Die afbreekveldsterkte is laer.

Soos ander diëlektriese films, hang die afbreekveldsterkte van die piëso-elektriese film ook af van sommige eksterne faktore, soos spanningsgolfvorm, frekwensie, temperatuur en elektrodes. Omdat die afbreekveldsterkte van die piëzo-elektriese film met baie faktore verband hou, is die afbreekveldsterktewaardes wat in die relevante literatuur gerapporteer word, vir dieselfde film dikwels inkonsekwent, en verskil selfs baie. Byvoorbeeld, die afbreekveldsterkte van die ZnO-film is 0.01 ~ 0.4MV / cm, AlN-film is 0.5 ~ 6.0MV / cm.

5. Grootmaat akoestiese golfprestasie
Die belangrikste kenmerkende parameters van grootmaat akoestiese golf piëso-elektriese omskakelaars is resonansiefrekwensie f0, akoestiese impedansie Za en elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K, dus is die klanksnelheid υ en temperatuurkoëffisiënt van piëzo-elektriese film, akoestiese impedansie en elektromeganiese koëffisiënt besonder streng koppelingskoëffisiënt. Hierdie eienskappe van die film hang nie net af van die elastisiteit, diëlektriese, piëso-elektriese en termiese eienskappe van die kristalkorrels in die film nie, maar is ook nou verwant aan die struktuur van die piëso-elektriese film soos die mate van kompaktheid van die korrels en die mate van voorkeuroriëntasie. In die piëzo-elektriese film, as gevolg van die defekte en spanning van die kristalkorrel, is dit nie 'n perfekte enkelkristal nie, so die fisiese konstante van die film verskil effens van die kristalwaarde. Omdat die struktuur van die piëzo-elektriese film nou verwant is aan die voorbereidingsproses, selfs vir dieselfde piëso-elektriese film, is die prestasiewaardes wat in die verskillende literatuur gerapporteer word, dikwels inkonsekwent. Onder alle anorganiese nie-ysterhoudende piëso-elektriese films het die AlN film 'n groot elastiese konstante, maar 'n lae digtheid, en die hoogste klanksnelheid. Daarom is die film die beste geskik vir UHF- en mikrogolftoestelle.

6. Oppervlakte akoestiese golf prestasie
Wanneer die oppervlak akoestiese golf voortplant in die piëso-elektriese silinder-omskakelaar , sy partikelverplasingsamplitude verswak vinnig namate die afstand vanaf die oppervlak van die medium toeneem, dus word die oppervlak akoestiese golfenergie hoofsaaklik in die volgende twee golflengtes op die oppervlak gekonsentreer. Die oppervlak akoestiese golf prestasie van die film materiaal kan uitgedruk word as die volgende funksionele formule: oppervlak akoestiese golf prestasie = F (grondstof, substraat, film struktuur, golf modus, voortplantingsrigting, interdigitale elektrode vorm, dikte golf getal produk) 'n Tabel van klankgolf prestasie parameters kan nie deur 'n enkele waarde voorgestel word nie. Nog 'n akoestiese golf-eienskap van piëso-elektriese films is transmissieverlies. Omdat piëso-elektriese films dikwels as akoestiese transmissiemedia in oppervlakgolftoestelle gebruik word, is die bron van transmissieverlies hoofsaaklik die verstrooiing van akoestiese golwe in die piëso-elektriese film en die substraat.

Metode vir die voorbereiding van piëzo-elektriese film
Die voorbereidingsmetodes van piëzo-elektriese dun films sluit hoofsaaklik tradisionele vakuumbedekkingsmetodes in, insluitend vakuumverdampingsbedekking, sputterbedekking, en chemiese dampneerlaagbedekking met 'n dikte van 0-18 μm, en nuwe sol-gel-metode, hidrotermiese metode en elektroforetiese film-afsettingsmetode 100 ～ 100 ～ 100 µm elektroforetiese film.
Dik piëso-elektriese film verwys gewoonlik na 'n piëso-elektriese film met 'n dikte van 10 tot 100 μm. In vergelyking met die dun film, word sy piëso-elektriese en ferro-elektriese eienskappe minder beïnvloed deur die koppelvlak en oppervlak; as gevolg van sy relatief groot dikte, kan hierdie soort PZT-materiaal ook 'n groot dryfkrag genereer, en het 'n wyer bedryfsfrekwensie; in vergelyking met die grootmaatmateriaal, is die bedryfspanning daarvan laag, die gebruiksfrekwensie is hoog en dit is versoenbaar met halfgeleierprosesse.

1. Vakuum verdamping coating
Vakuum verdamping coating is om 'n stof te verdamp deur verhitting en dit op 'n soliede oppervlak neer te sit, wat verdamping coating genoem word. Hierdie metode is vir die eerste keer in 1857 deur M. Faraday voorgestel, en modernisering het een van die algemeen gebruikte coating-tegnologieë geword.
Vakuumverdampingsbedekking sluit die volgende drie basiese prosesse in:
(1) Verhittings- en verdampingsproses, insluitend die randproses van die verandering van gekondenseerde fase na gasfase (vaste fase of vloeistoffase → gasfase). Elke verdampende stof het 'n ander versadigde dampdruk by verskillende temperature. Wanneer 'n verbinding verdamp word, reageer sy komponente, en sommige van hulle betree die verdampingsruimte in gasvormige toestand of damp.
(2) Die vervoer van verdampte atome of molekules tussen die verdampingsbron en die substraat, en die vlugproses van hierdie voorbeelde in die omringende atmosfeer. Die aantal botsings met oorblywende gasmolekules in die vakuumkamer tydens vlug hang af van die gemiddelde vrye pad van die verdampte atome en die afstand vanaf die verdampingsbron na die substraat, wat dikwels die bron-basisafstand genoem word.
(3) Die presipitasieproses van verdampte atome of molekules op die oppervlak van die substraat, en die dampkondensasie, kernvorming, kerngroei en die vorming van 'n aaneenlopende film. Aangesien die temperatuur van die substraat baie laer is as die temperatuur van die verdampingsbron, sal die fase-oorgangsproses van die neerslagmolekules op die substraatoppervlak direk vanaf die gasfase na die vaste fase plaasvind.
Wanneer 'n stof verdamp, is dit belangrik om die versadigde dampdruk, verdampingstempo en gemiddelde vrye pad van die verdampte molekules te ken. Daar is drie tipes verdampingsbronne.

2. Vakuum sputterbedekking
'n Voorbeeld met 'n kinetiese energie van meer as 'n paar honderd elektronvolt of 'n ioonstraal bombardeer die vaste oppervlak, sodat die atome naby aan die vaste oppervlak 'n deel van die energie van die invallende deeltjies verkry en die vaste stof verlaat om die vakuum binne te gaan. Hierdie verskynsel word sputtering genoem. Die sputtering-verskynsel behels 'n komplekse verstrooiingsproses en gaan gepaard met verskeie energie-oordragmeganismes. Daar word algemeen geglo dat hierdie proses hoofsaaklik die sogenaamde botsingskaskadeproses is, dit wil sê die invallende ione bots elasties met die teikenatome, sodat die teikenatome voldoende energie verkry om die potensiële versperring wat deur die omliggende atome gevorm word te oorkom en die oorspronklike posisie te verlaat, en verder en nabygeleë Atome bots. Wanneer hierdie botsingskaskade die oppervlak van die teikenatoom bereik sodat die atome energie hoër as die oppervlakbindingsenergie verkry, sal hierdie atome die oppervlak van die teikenatoom verlaat en 'n vakuum binnegaan. Nou is meer navorsing oor sputter-bedekking magnetron-sputter-bedekking. Magnetron-sputtering is om hoëspoed-sputtering onder lae druk uit te voer, en dit is nodig om die ionisasietempo van die gas effektief te verhoog. Deur 'n magnetiese veld op die oppervlak van die teikenkatode in te voer, word die magnetiese veld gebruik om die gelaaide deeltjies te beperk om die plasmadigtheid te verhoog om die sputtertempo te verhoog. Gebruik 'n eksterne magnetiese veld om elektrone vas te vang, die bewegingspad van elektrone uit te brei en te beperk, die ionisasietempo te verhoog en die laagtempo te verhoog.

3. Chemiese dampneerslagbedekking
Chemiese dampneerslag is 'n chemiese dampgroeimetode, waarna verwys word as CVD (Chemical Vapor Deposition) tegnologie. In hierdie metode word die elementêre gas wat een of meer verbindings bevat wat die dunfilmelement uitmaak, aan die substraat verskaf, en die vereiste dun film word gevorm deur gasfase of chemiese reaksie op die oppervlak van die substraat deur energiebronne soos verwarming, plasma, ultravioletlig of selfs laserlig te gebruik. Aangesien die CVD-metode verskeie gasreaksies gebruik om die dun film voor te berei, kan die samestelling van die dun film arbitrêr beheer word, sodat baie nuwe filmmateriaal vervaardig kan word. Wanneer die CVD-metode gebruik word om 'n dun film voor te berei, is die groeitemperatuur daarvan aansienlik laer as die smeltpunt van die dunfilmbestanddeelmateriaal, die resulterende filmlaag het goeie eenvormigheid, het stapbedekking en is geskik vir substrate met komplekse vorms. As gevolg van sy voordele soos hoë neerslagtempo, min speldegate, hoë suiwerheid, kompaktheid en min kristalvormende defekte, is die toepassingsreeks van chemiese dampneerslag baie wyd. Die CVD-metode kan gebruik word om piëzo-elektriese dikfilmmateriaal met digte, gladde oppervlak, dikte van 0 ~ 18μm en uitstekende werkverrigting voor te berei. Daarom, in die voorbereiding van piëzo-elektriese dik films, het die CVD-metode vinnig ontwikkel en is dit deur baie navorsers aangeneem.

4. Nuwe oplossing gel metode
Die nuwe sol-gel metode is om die voorbereide poeier (dieselfde samestelling as die sol) by die sol te voeg, dan voeg 'n sekere organiese oplosmiddel by die oplossing as 'n dispergeermiddel, voeg ander organiese oplosmiddels by om die viskositeit en pH van die oplossing aan te pas, en uiteindelik nie deurlopende ultrasoniese vibrasie versprei die nano-poeiers in die oplossing, en uiteindelik verkry 'n eenvormige oplossing. Die vereiste film word op die substraat neergelê deur die sol-gel metode. In hierdie afsettingsproses tree die poeierdeeltjies op as saadkristalle.
Sodoende kan 'n dik film met 'n dikte van tientalle mikrons vervaardig word. Dit vermy die probleem van krake of selfs filmvergieting wat veroorsaak word deur die dik film wat deur die tradisionele sol-gel-metode voorberei is. Die voorbereide dik film komponente is eenvormig gemeng en hoog in suiwerheid, en vereis nie 'n hoë temperatuur sintering, en die gevolglike dik film is verenigbaar met die halfgeleier voorbereiding proses. En die toerusting is eenvoudig, die koste is laag, en die membraansamestelling kan beheer word, so hierdie metode word tans meer gereeld gebruik.

5. Hidrotermiese metode
Die hidrotermiese metode verwys na die gebruik van 'n waterige oplossing as 'n reaksiemedium in 'n spesiaal vervaardigde geslote reaksiehouer (outoklaaf). Deur die reaksievat te verhit, word 'n hoë-temperatuur, hoëdruk reaksie-omgewing geskep, sodat normaalweg onoplosbare of onoplosbare stowwe opgelos en herkristalliseer word. Die dik film wat deur hierdie metode voorberei word, is om sommige verbindings in die dikfilmkomponent wat voorberei moet word stoïgiometries te meng tot 'n versadigde oplossing in 'n sekere alkaliese medium en die PH-waarde aan te pas. Daarna word die oplossing in 'n outoklaaf oorgedra, en 'n sekere dikte kan na 'n sekere reaksietyd op die substraat gegroei word.