Piëso-elektriese materiale is funksionele materiale wat die omskakeling tussen meganiese energie en elektriese energie realiseer(2)

Metode vir die voorbereiding van piëzo-elektriese film

Die voorbereiding metodes van piëzo-elektriese dun films is hoofsaaklik tradisionele vakuum coating metodes, insluitend vakuum verdamping coating, sputter coating, chemiese dampneerslag coating word voorberei in 'n dikte van 0 ~ 18μm, nuwe sol-gel metode, hidrotermiese metode, elektroforetiese afsetting metode is voorberei 10-100μm dik film materiaal.

Dik piëso-elektriese film verwys gewoonlik na 'n piëso-elektriese film  piëso-elektriese hemisfeer-omskakelaar  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, hierdie soort van Die materiaal kan 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 te verhit 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.

Vakuum verdamping coating sluit die volgende drie basiese prosesse in:

(1) Die verhittings- en verdampingsproses insluitend die randproses vanaf die gekondenseerde fase na die 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, is die fase-oorgangsproses van die neerslagmolekules op die substraatoppervlak piëzo-keramiek piëzo-elektriese transducer sal 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.

① Weerstandsverhittingsbron: gemaak van vuurvaste metale soos wolfram en tantaal gemaak van bootfoelie of filament, wat stroom deurlaat om die verdampingsmateriaal daarbo te verhit of in die smeltkroes geplaas word (weerstandverhittingsbron word hoofsaaklik gebruik om Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni en ander materiale te verdamp.

② Hoëfrekwensie induksie verwarming bron: verhit die smeltkroes en verdamp materiaal met 'n hoë frekwensie induksie stroom.

③ Elektronstraalverhittingsbron: geskik vir materiale met hoë verdampingstemperatuur (nie minder nie as 2000), dit wil sê, bombardeer die materiaal met elektronstraal om dit te laat verdamp.

Ten einde 'n hoë-suiwer enkelkristal film te deponeer, kan molekulêre bundel epitaksie gebruik word. Die jet-oond is toegerus met 'n molekulêre bundelbron. Wanneer dit tot 'n sekere temperatuur onder ultrahoë vakuum verhit word, word die  piëzo skyf transducer  elemente in die oond is gerig na die substraat as 'n straal van molekulêre vloei. Die substraat word tot 'n sekere temperatuur verhit, die molekules wat op die substraat neergelê word, kan migreer, en die kristalle word in die volgorde van die substraatrooster gegroei. Die molekulêre bundel epitaksie metode kan 'n enkel kristal film van hoë suiwer verbinding met die vereiste stoïgiometriese verhouding verkry, en die film groei die stadigste. Die spoed kan teen 1 enkele laag/sekonde beheer word. Deur die keerplaat te beheer, kan enkel piëzo kristal dun films met die gewenste samestelling en struktuur akkuraat gemaak word. Molekulêre bundelepitaksie word wyd gebruik om verskeie optiese geïntegreerde toestelle en verskeie superroosterstruktuurfilms te vervaardig

2. Vakuum sputtering coating

'n Voorbeeld met 'n kinetiese energie van meer as 'n paar honderd elektronvolt of 'n ioonstraal bombardeer die vaste oppervlak, sodat die atome naby 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-sputterbedekking. 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 teikenkatode-oppervlak 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.

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, en dan 'n sekere organiese oplosmiddel by die oplossing te voeg as 'n dispergeermiddel, en ander organiese oplosmiddels by te voeg om die viskositeit en pH van die oplossing aan te pas. Deurlopende ultrasoniese vibrasie versprei die nano-poeier in die oplossing, en uiteindelik verkry 'n eenvormige poeier oplossing, en deposito's die vereiste film op die substraat 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 dikfilmkomponente is eenvormig gemeng en hoog in suiwerheid, en wat nie hoë-temperatuur sintering benodig nie. Die resulterende dik film is versoenbaar met die halfgeleiervoorbereidingsproses. 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

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.

Hidrotermiese voorbereiding van dik films het baie voordele:

① Die proses word op een slag in die vloeibare fase voltooi, en geen na-kristallisasie-hittebehandeling is nodig nie, en vermy dus defekte soos krake, graanvergroting, reaksie met die substraat of atmosfeer wat tydens die hittebehandelingsproses veroorsaak kan word;

②Anorganiese materiale word as voorlopers gebruik, en water word as die reaksiemedium gebruik. Die grondstowwe is maklik beskikbaar, wat die koste van filmvoorbereiding verminder en minder omgewingsbesoedeling het;

③ Die toerusting is eenvoudig, en die temperatuur van hidrotermiese behandeling is laag, wat die interdiffusie van die film- en substraatkomponente voor en na hidrotermiese behandeling vermy. Die gevolglike film het 'n hoë suiwerheid en goeie eenvormigheid. Daarbenewens, wanneer hierdie metode gebruik word om dik films voor te berei, kan dik films op substraatoppervlakke van verskillende komplekse vorms neergelê word. Die gevolglike dik films het sekere voordele van spontane polarisasie, lae histerese en goeie binding met substrate. . Tans het hierdie metode al hoe meer aandag getrek.

6. Elektroforetiese afsettingsmetode

Elektroforetiese afsetting (EPD) verwys na die dispergeer van die voorbereide fyn poeier met dieselfde samestelling as die dik film in die suspensie om 'n suspensie met verskillende konsentrasies te vorm, en die aanpassing van die pH-waarde van die suspensie met suur-basis oplossing. Stabiele suspensie word verkry deur ultrasoniese dispersie en magnetiese roering, en onder konstante druk beweeg die gelaaide deeltjies rigtinggewend onder die werking van die elektriese veld en verkry daardeur 'n dik film met 'n sekere dikte. Die dik film wat deur hierdie metode voorberei word, het die voordele van eenvoudige toerusting, vinnige filmvorming, onbeperkte vorm van die geplateerde dele, eenvormige en beheerbare filmdikte, ens. Die resulterende dik film kan tientalle mikrons bereik, en die samestelling is eenvormig en dig.