المواد الخزفية الكهرضغطية هي مواد وظيفية تحقق التحويل بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية (1)

المواد الكهرضغطية هي مواد وظيفية تحقق التحويل بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية. تطورها له تاريخ طويل. منذ اكتشاف التأثير الكهرضغطي على بلورات الكوارتز من قبل الأخوين كوري في ثمانينيات القرن التاسع عشر، جذبت المواد الكهرضغطية اهتمامًا واسع النطاق. مع تعميق البحث، تم العثور على عدد كبير من المواد الكهرضغطية، مثل المواد الخزفية الوظيفية الكهروضغطية، والأفلام الكهروضغطية، والمواد المركبة الكهروضغطية، وما إلى ذلك. تتمتع هذه المواد بمجموعة واسعة جدًا من الاستخدامات، وتلعب دورًا مهمًا في أجهزة التحويل الوظيفية مثل الكهرباء والمغناطيسية والصوت والضوء والحرارة والرطوبة والغاز والقوة.

فيلم PVDF كهرضغطية
فيلم PVDF كهرضغطية هو فيلم كهرضغطية من مادة البولي فينيلدين الفلورايد. في عام 1969، اكتشف اليابانيون مادة البوليمر فلوريد البولي فينيلدين (بوليمر فلوريد البولي فينيلدين) المشار إليها باسم PVDF، والتي لها تأثير كهرضغطية قوي جدًا. يحتوي فيلم PVDF بشكل أساسي على نوعين من البلورات الانضغاطية، وهما النوع α والنوع β. لا تحتوي البلورة الانضغاطية من النوع α على كهرضغطية، ولكن بعد لف فيلم PVDF وتمديده، تصبح البلورة الأصلية من النوع α في الفيلم بنية بلورية من النوع β. عندما يتعرض فيلم PVDF الممتد والمستقطب لقوة خارجية أو تشوه في اتجاه معين، فإن السطح المستقطب للفيلم محول مستوى بالموجات فوق الصوتية سيولد شحنة كهربائية معينة، أي التأثير الكهرضغطي.

بالمقارنة مع السيراميك الكهروضغطي والبلورات الكهرضغطية، تتمتع الأفلام الكهرضغطية بالمزايا التالية:

(1) خفيفة الوزن، كثافتها هي فقط ربع السيراميك الكهروإجهادي الشائع الاستخدام PZT، الملصق على كائن القياس ليس له أي تأثير تقريبًا على الهيكل الأصلي، مرونة مرنة عالية، يمكن معالجتها في شكل محدد. سطح القياس مجهز بالكامل، مع قوة ميكانيكية عالية ومقاومة التأثير؛
(2) خرج الجهد العالي، في ظل نفس ظروف الضغط، يكون جهد الخرج أعلى 10 مرات من السيراميك الكهرضغطي؛
(3) قوة عازلة عالية يمكنها تحمل تأثير المجال الكهربائي القوي (75 فولت/أم)، في هذا الوقت تم إزالة استقطاب معظم السيراميك الكهرضغطي؛
(4) المقاومة الصوتية منخفضة، فقط عُشر السيراميك الكهرضغطي PZT، قريب من الماء والأنسجة البشرية والجسم اللزج؛
(5) استجابة التردد واسعة، ويمكن تحويل التأثير الكهروميكانيكي من 10-3 هرتز إلى 109، ووضع الاهتزاز بسيط.

خصائص فيلم بيزو
1. ثابت العزل الكهربائي
على الرغم من أن الفيلم الكهرضغطي هو فيلم بلوري واحد أو فيلم متعدد البلورات مع الاتجاه المفضل، فإن التعبئة الذرية فيه ليست كثيفة ومرتبة كما هو الحال في البلورة، وبالتالي فإن قيمة ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي تختلف عن قيمة البلورة. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تكون هناك ضغوط داخلية متبقية كبيرة في الفيلم وأسباب القياس، والتي تتسبب أيضًا في اختلاف قيمة ثابت العزل الكهربائي للفيلم عن القيمة المقابلة للبلورة.
أظهرت الدراسات الحالية أن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي لا يرتبط فقط بالاتجاه البلوري، ولكنه يعتمد أيضًا على ظروف الاختبار. إن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي لديه تشتت كبير. بالإضافة إلى الاختلاف في الإجهاد الداخلي وظروف الاختبار، يُعتقد عمومًا أن الفرق بين نسبة التركيب الكيميائي وسمك الفيلم لتركيبة الفيلم يتناقص مع سمك الفيلم. رقيقة وصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ثابت العزل الكهربائي للفيلم الرقيق الكهرضغطي سيتغير أيضًا بشكل ملحوظ مع درجة الحرارة والتردد.

2. مقاومة الحجم
من منظور تقليل فقدان العزل الكهربائي وتردد الاسترخاء للفيلم الكهرضغطي، من المتوقع أن يتمتع بمقاومة عالية جدًا، على الأقل ρv≥108Ω • سم. تبلغ مقاومة فيلم AlN 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · سم، وهي أعلى بكثير من 108Ω · سم، لذا في هذا الصدد، يعد AlN فيلمًا ممتازًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغير في التوصيل الكهربائي لأغشية AlN الكهرضغطية مع درجة الحرارة يتبع أيضًا قانون 1nσ∝1 / T. لا تحتوي أي من البلورات ذات التأثير الكهرضغطي على مركز تناظر، لذا فإن حركتها الإلكترونية تكون أيضًا متباينة الخواص وموصليتها الكهربائية مختلفة أيضًا. تختلف موصلية الفيلم الكهرضغطي AlN على طول اتجاه المحور C عن الاتجاه العمودي على المحور C. الأول أصغر بحوالي 1 إلى 2 أوامر.

3. ظل زاوية الخسارة
ظل فقدان العزل الكهربائي للفيلم الكهرضغطي AlN هو tanδ = 0.003 ～ 0.005، وtanδ لفيلم ZnO أكبر، وهو 0.005 ～ 0.01. السبب وراء كون tanδ لهذه الأفلام كبيرًا جدًا هو أنه بالإضافة إلى عملية التوصيل، فإن هذه الأفلام تحتوي أيضًا على ظواهر استرخاء كبيرة. على غرار الغشاء الرقيق العازل، فإن تان δ للفيلم السميك الكهرضغطي يزداد تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة والتردد وزيادة الرطوبة. بالإضافة إلى ذلك، مع انخفاض سمك الفيلم، يميل tan δ إلى الزيادة. من الواضح أن الزيادة في tan δ مع درجة الحرارة ترجع إلى زيادة التوصيل وزيادة المرخيات. ويزداد مع التكرار لأن عدد مرات الاسترخاء يزداد بمرور الوقت.

4. قوة الانهيار
نظرًا لأن قوة مجال انهيار العزل الكهربائي تنتمي إلى معلمة القوة، ولا يمكن تجنب العيوب المختلفة في الفيلم، فإن قوة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي لها تشتت كبير؛ نظرية انهيار العزل الكهربائي. يجب أن تزداد قوة مجال الانهيار تدريجياً مع انخفاض سمك الفيلم. ولكن في الواقع، نظرًا لأن الفيلم يحتوي على العديد من العيوب، فإن تأثير العيب يكون أكثر أهمية حيث أن السمك أصغر، لذلك عندما يتم تقليل السمك إلى قيمة معينة، تصبح قوة مجال الانهيار للفيلم أصغر بشكل حاد. إن قوة مجال الانهيار للفيلم، بالإضافة إلى أسباب الفيلم نفسه، لها أيضًا تأثير على حافة القطب أثناء الاختبار. نظرًا لأنه كلما كان الفيلم أكثر سماكة، كلما كان المجال الكهربائي غير متساوٍ عند حافة القطب، وبالتالي مع زيادة سماكة الفيلم، تنخفض قوة مجال الانهيار تدريجيًا. بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، تعتمد قوة مجال الانهيار للفيلم العازل أيضًا على بنية الفيلم. بالنسبة للفيلم الكهرضغطي، تعتمد شدة مجال الانهيار أيضًا على اتجاه المجال الكهربائي، أي أنه أيضًا متباين الخواص في شدة مجال الانهيار. نظرًا لوجود حدود الحبوب في الفيلم متعدد البلورات، فإن قوة مجال الانهيار أقل من قوة الفيلم غير المتبلور؛ ولأسباب مماثلة، تكون شدة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي الموجه تفضيلياً في اتجاه اتجاه الحبوب أعلى من تلك الموجودة في الاتجاه العمودي. وتكون شدة مجال الانهيار أقل.

مثل الأفلام العازلة الأخرى، تعتمد قوة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي أيضًا على بعض العوامل الخارجية، مثل شكل موجة الجهد، والتردد، ودرجة الحرارة، والأقطاب الكهربائية. نظرًا لأن شدة مجال الانهيار للفيلم الكهرضغطي مرتبطة بالعديد من العوامل، بالنسبة للفيلم نفسه، غالبًا ما تكون قيم شدة مجال الانهيار الواردة في الأدبيات ذات الصلة غير متسقة، بل وتختلف بشكل كبير. على سبيل المثال، تبلغ شدة مجال الانهيار لفيلم ZnO 0.01 ~ 0.4MV / cm، وفيلم AlN هو 0.5 ~ 6.0MV / cm.

5. أداء الموجة الصوتية السائبة
إن أهم المعلمات المميزة لمحولات الطاقة الكهرضغطية ذات الموجة الصوتية السائبة هي تردد الرنين f0 والمقاومة الصوتية Za ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي K، وبالتالي فإن سرعة الصوت υ ومعامل درجة الحرارة للفيلم الكهرضغطي والمقاومة الصوتية ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي صارمة بشكل خاص. لا تعتمد خصائص الفيلم هذه فقط على المرونة والخصائص العازلة والكهرضغطية والحرارية للحبيبات البلورية في الفيلم، ولكنها ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا ببنية الفيلم الكهرضغطي مثل درجة انضغاط الحبوب ودرجة الاتجاه المفضل. في الفيلم الكهرضغطي، نظرًا للعيوب وسلالة الحبوب البلورية، فهي ليست بلورة واحدة مثالية، وبالتالي فإن الثابت الفيزيائي للفيلم يختلف قليلاً عن القيمة البلورية. نظرًا لأن هيكل الفيلم الكهرضغطي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعملية التحضير، حتى بالنسبة لنفس الفيلم الكهرضغطي، فإن قيم الأداء الواردة في الأدبيات المختلفة غالبًا ما تكون غير متسقة. من بين جميع الأفلام الكهروضغطية غير العضوية وغير الحديدية، يتمتع فيلم AlN بثبات مرن كبير، ولكن كثافته منخفضة، وأعلى سرعة صوت. ولذلك، فإن الفيلم هو الأكثر ملاءمة لأجهزة UHF والميكروويف.

6. أداء الموجة الصوتية السطحية
عندما تنتشر الموجة الصوتية السطحية في محول الطاقة الأسطواني الكهروإجهادي ، يخفف سعة إزاحة الجسيمات بسرعة مع زيادة المسافة من سطح الوسط، لذلك تتركز طاقة الموجة الصوتية السطحية بشكل أساسي في الطولين الموجيين التاليين على السطح. يمكن التعبير عن أداء الموجة الصوتية السطحية لمادة الفيلم بالصيغة الوظيفية التالية: أداء الموجة الصوتية السطحية = F (المواد الخام، الركيزة، بنية الفيلم، وضع الموجة، اتجاه الانتشار، شكل القطب الكهربائي بين الرقمي، منتج رقم موجة السمك) لا يمكن تمثيل جدول معلمات أداء الموجة الصوتية بقيمة واحدة. خاصية الموجات الصوتية الأخرى للأفلام الكهرضغطية هي فقدان الإرسال. نظرًا لأن الأفلام الكهرضغطية تُستخدم غالبًا كوسائط نقل صوتية في أجهزة الموجات السطحية، فإن مصدر فقدان الإرسال هو بشكل أساسي تشتت الموجات الصوتية في الفيلم الكهرضغطي والركيزة.

طريقة تحضير الفيلم الكهرضغطي
تشتمل طرق تحضير الأغشية الرقيقة الكهرضغطية بشكل أساسي على طرق الطلاء الفراغي التقليدية، بما في ذلك طلاء التبخر الفراغي، والطلاء بالرش، وطلاء ترسيب البخار الكيميائي بسمك 0-18 ميكرومتر، وطريقة هلام سول الجديدة، والطريقة الحرارية المائية، وطريقة الترسيب الكهربي 10 ～ 100 ميكرومتر من مادة الفيلم السميكة الكهرضغطية.
يشير الفيلم الكهرضغطي السميك عادةً إلى فيلم كهرضغطية بسمك يتراوح من 10 إلى 100 ميكرومتر. بالمقارنة مع الطبقة الرقيقة، فإن خواصها الكهرضغطية والكهروضوئية أقل تأثراً بالواجهة والسطح؛ نظرًا لسمكها الكبير نسبيًا، يمكن لهذا النوع من مادة PZT أيضًا توليد قوة دافعة كبيرة، ولها تردد تشغيل أوسع؛ بالمقارنة مع المواد السائبة، فإن جهد التشغيل منخفض، وتكرار الاستخدام مرتفع، وهو متوافق مع عمليات أشباه الموصلات.

1. طلاء التبخر الفراغي
طلاء التبخر الفراغي هو تبخر المادة عن طريق التسخين وترسيبها على سطح صلب، وهو ما يسمى طلاء التبخر. تم اقتراح هذه الطريقة لأول مرة بواسطة M. Faraday في عام 1857، وأصبح التحديث أحد تقنيات الطلاء الشائعة الاستخدام.
يتضمن طلاء التبخر الفراغي العمليات الأساسية الثلاث التالية:
(1) عملية التسخين والتبخر، بما في ذلك عملية الحواف للتغيير من الطور المكثف إلى الطور الغازي (الطور الصلب أو الطور السائل → الطور الغازي). كل مادة متبخرة لها ضغط بخار مشبع مختلف عند درجات حرارة مختلفة. عند تبخير مركب ما تتفاعل مكوناته، ويدخل بعضها حيز التبخير في الحالة الغازية أو البخارية.
(2) انتقال الذرات أو الجزيئات المتبخرة بين مصدر التبخر والركيزة، وعملية طيران هذه الأمثلة في الجو المحيط. يعتمد عدد الاصطدامات مع جزيئات الغاز المتبقية في الحجرة المفرغة أثناء الطيران على متوسط ​​المسار الحر للذرات المتبخرة والمسافة من مصدر التبخر إلى الركيزة، والتي تسمى غالبًا المسافة بين المصدر والقاعدة.
(3) عملية ترسيب الذرات أو الجزيئات المتبخرة على سطح الركيزة، وتكثيف البخار، والتنوي، والنمو النووي، وتكوين فيلم مستمر. نظرًا لأن درجة حرارة الركيزة أقل بكثير من درجة حرارة مصدر التبخر، فإن عملية انتقال الطور لجزيئات الرواسب على سطح الركيزة ستحدث مباشرة من الطور الغازي إلى الطور الصلب.
عندما تتبخر مادة ما، من المهم معرفة ضغط البخار المشبع، ومعدل التبخر، ومتوسط ​​المسار الحر للجزيئات المتبخرة. هناك ثلاثة أنواع من مصادر التبخر.

2. طلاء الاخرق الفراغي
مثال ذو طاقة حركية تزيد عن بضع مئات من الإلكترون فولت أو شعاع أيوني يقصف السطح الصلب، بحيث تحصل الذرات القريبة من السطح الصلب على جزء من طاقة الجسيمات الساقطة وتترك المادة الصلبة لتدخل الفراغ. وتسمى هذه الظاهرة الاخرق. تتضمن ظاهرة التناثر عملية تشتت معقدة وتصاحبها آليات مختلفة لنقل الطاقة. ويعتقد بشكل عام أن هذه العملية هي في الأساس ما يسمى بعملية تتالي الاصطدام، أي أن الأيونات الحادثة تصطدم بشكل مرن مع الذرات المستهدفة، بحيث تحصل الذرات المستهدفة على طاقة كافية للتغلب على حاجز الجهد الذي تشكله الذرات المحيطة وتترك موضعها الأصلي، وتتصادم الذرات البعيدة والقريبة. وعندما يصل شلال الاصطدام هذا إلى سطح الذرة المستهدفة بحيث تحصل الذرات على طاقة أعلى من طاقة الارتباط السطحي، فإن هذه الذرات ستترك سطح الذرة المستهدفة وتدخل في الفراغ. الآن المزيد من الأبحاث حول الطلاء بالرش هي طلاء بالرش المغنطروني. يتم إجراء رش المغنطرون بسرعة عالية تحت ضغط منخفض، ومن الضروري زيادة معدل تأين الغاز بشكل فعال. من خلال إدخال مجال مغناطيسي على سطح الكاثود المستهدف، يتم استخدام المجال المغناطيسي لتقييد الجسيمات المشحونة لزيادة كثافة البلازما لزيادة معدل الاخرق. استخدم مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا لالتقاط الإلكترونات، وتوسيع وتقييد مسار حركة الإلكترونات، وزيادة معدل التأين، وزيادة معدل الطلاء.

3. طلاء ترسيب البخار الكيميائي
ترسيب البخار الكيميائي هو طريقة نمو البخار الكيميائي، يشار إليها بتقنية CVD (ترسيب البخار الكيميائي). في هذه الطريقة، يتم إمداد الركيزة بالغاز العنصري الذي يحتوي على واحد أو عدة مركبات تشكل عنصر الغشاء الرقيق، ويتم تشكيل الغشاء الرقيق المطلوب عن طريق الطور الغازي أو التفاعل الكيميائي على سطح الركيزة باستخدام مصادر الطاقة مثل التسخين أو البلازما أو الأشعة فوق البنفسجية أو حتى ضوء الليزر. نظرًا لأن طريقة CVD تستخدم تفاعلات غازية مختلفة لتحضير الفيلم الرقيق، فيمكن التحكم في تكوين الفيلم الرقيق بشكل تعسفي، بحيث يمكن إنتاج العديد من مواد الفيلم الجديدة. عندما يتم استخدام طريقة CVD لتحضير فيلم رقيق، تكون درجة حرارة نموه أقل بكثير من نقطة انصهار المادة المكونة للفيلم الرقيق، وتكون طبقة الفيلم الناتجة متجانسة بشكل جيد، ولها تغطية متدرجة، ومناسبة للركائز ذات الأشكال المعقدة. نظرًا لمزاياها مثل معدل الترسيب العالي، وعدد قليل من الثقوب، والنقاء العالي، والاكتناز، وعدد قليل من عيوب تشكيل البلورات، فإن نطاق تطبيق ترسيب البخار الكيميائي واسع جدًا. يمكن استخدام طريقة CVD لتحضير مواد غشاء سميكة كهرضغطية ذات سطح كثيف وناعم وسمك 0 ～ 18μm وأداء ممتاز. لذلك، في تحضير الأغشية السميكة الكهرضغطية، تطورت طريقة CVD بسرعة وتم اعتمادها من قبل العديد من الباحثين.

4. طريقة جل المحلول الجديد
تتمثل طريقة sol-gel الجديدة في إضافة المسحوق المحضر (نفس تركيبة المحلول) إلى المحلول، ثم إضافة مذيب عضوي معين إلى المحلول كمشتت، وإضافة مذيبات عضوية أخرى لضبط اللزوجة ودرجة الحموضة للمحلول، وأخيرًا لا يؤدي الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية المستمر إلى تشتيت مساحيق النانو في المحلول، وأخيراً الحصول على محلول مسحوق موحد. يتم ترسيب الفيلم المطلوب على الركيزة بطريقة sol-gel. في عملية الترسيب هذه، تعمل جزيئات المسحوق كبلورات بذور.
بهذه الطريقة يمكن إنتاج طبقة سميكة بسمك عشرات الميكرونات. إنه يتجنب مشكلة التشقق أو حتى تساقط الفيلم الناتج عن الفيلم السميك المحضر بطريقة sol-gel التقليدية. يتم خلط مكونات الغشاء السميك المحضر بشكل موحد وعالي النقاء، ولا يتطلب تلبيدًا بدرجة حرارة عالية، والفيلم السميك الناتج متوافق مع عملية تحضير أشباه الموصلات. والمعدات بسيطة، والتكلفة منخفضة، ويمكن التحكم في تكوين الغشاء، لذلك يتم استخدام هذه الطريقة حاليًا في كثير من الأحيان.

5. الطريقة الحرارية المائية
تشير الطريقة الحرارية المائية إلى استخدام محلول مائي كوسيلة تفاعل في وعاء تفاعل مغلق مصنوع خصيصًا (الأوتوكلاف). عن طريق تسخين وعاء التفاعل، يتم إنشاء بيئة تفاعل ذات درجة حرارة عالية وضغط عالٍ، بحيث يتم إذابة المواد غير القابلة للذوبان أو غير القابلة للذوبان وإعادة بلورتها. الفيلم السميك المحضر بهذه الطريقة هو خلط بعض المركبات في مكون الفيلم السميك بطريقة متكافئة ليتم تحضيرها في محلول مشبع في وسط قلوي معين وضبط قيمة الرقم الهيدروجيني. بعد ذلك، يتم نقل المحلول إلى الأوتوكلاف، ويمكن زراعة سمك معين على الركيزة بعد وقت تفاعل معين.