المواد الكهرضغطية هي مواد وظيفية تحقق التحويل بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية(2)

طريقة تحضير فيلم كهرضغطية

طرق تحضير الأغشية الرقيقة الكهرضغطية هي في الأساس طرق طلاء فراغ تقليدية، بما في ذلك طلاء التبخر الفراغي، طلاء الاخرق، يتم تحضير طلاء ترسيب البخار الكيميائي بسماكة 0 ~ 18 ميكرومتر، طريقة سول جل جديدة، طريقة حرارية مائية، طريقة الترسيب الكهربي يتم تحضير مادة غشاء سميكة كهرضغطية 10-100 ميكرومتر.

يشير الفيلم الكهرضغطي السميك عادةً إلى فيلم كهرضغطية  محول نصف الكرة 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 المواد أيضًا أن يولد قوة دافعة كبيرة، وله 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 تبخير مادة 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 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، وتشكيل فيلم مستمر. نظرًا لأن درجة حرارة الركيزة أقل بكثير من درجة حرارة مصدر التبخر، فإن عملية انتقال الطور لجزيئات الرواسب على سطح الركيزة محول الطاقة الكهرضغطية الخزفي مباشرة من الطور الغازي إلى الطور الصلب.... سيحدث

عندما تتبخر مادة ما، من المهم معرفة ضغط البخار المشبع، ومعدل التبخر، ومتوسط ​​المسار الحر للجزيئات المتبخرة. هناك ثلاثة أنواع من مصادر التبخر.

①مصدر التسخين بالمقاومة: مصنوع من معادن مقاومة للحرارة مثل التنغستن والتنتالوم مصنوع من رقائق القارب أو الخيوط، ويمرر تيارًا لتسخين مادة التبخر فوقه أو يوضع في البوتقة (يستخدم مصدر التسخين بالمقاومة بشكل أساسي لتبخير Cd، Pb، Ag، Al، Cu، Cr، Au، Ni وغيرها من المواد.

② مصدر التسخين الحثي عالي التردد: تسخين البوتقة والمواد المتبخرة بتيار حثي عالي التردد.

③ مصدر تسخين شعاع الإلكترون: مناسب للمواد ذات درجة حرارة التبخر العالية (لا تقل عن 2000)، أي قصف المادة بشعاع الإلكترون لجعلها تتبخر.

من أجل إيداع فيلم بلوري واحد عالي النقاء، يمكن استخدام تنضيد الشعاع الجزيئي. الفرن النفاث مجهز بمصدر شعاع جزيئي. عندما يتم تسخينه إلى درجة حرارة معينة تحت فراغ عالي جدًا، فإن  يتم توجيه عناصر محول القرص الانضغاطي  في الفرن نحو الركيزة كشعاع من التدفق الجزيئي. يتم تسخين الركيزة إلى درجة حرارة معينة، ويمكن للجزيئات المترسبة على الركيزة أن تهاجر، وتنمو البلورات بترتيب شبكة الركيزة. يمكن لطريقة تنضيد الشعاع الجزيئي الحصول على فيلم بلوري واحد من مركب عالي النقاء مع النسبة المتكافئة المطلوبة، وينمو الفيلم بشكل أبطأ. يمكن التحكم في السرعة بطبقة واحدة/ثانية. من خلال التحكم في الحاجز، يمكن تصنيع أغشية رقيقة من الكريستال الانضغاطي مع التركيب والبنية المرغوبة بدقة. يتم استخدام حزمة الشعاع الجزيئي على نطاق واسع لتصنيع العديد من الأجهزة البصرية المتكاملة وأفلام بنية الشبكة الفائقة المختلفة

2. طلاء الاخرق فراغ

مثال ذو طاقة حركية تزيد على 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 الحاجز المحتمل الذي تشكله الذرات المحيطة وتترك الموضع 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 طلاء الرش هو طلاء الرش 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.

4. طريقة هلام الحل الجديدة

تتمثل طريقة sol-gel الجديدة في إضافة المسحوق المحضر (نفس تركيبة السول) إلى المحلول، ثم إضافة مذيب عضوي معين إلى المحلول كمشتت، وإضافة مذيبات عضوية أخرى لضبط اللزوجة ودرجة الحموضة للمحلول. يعمل الاهتزاز المستمر بالموجات فوق الصوتية على تشتيت مسحوق النانو في المحلول، ويحصل أخيرًا على محلول مسحوق موحد، وترسيب 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 الأغشية السميكة المحضرة بشكل موحد وعالية النقاء، ولا تتطلب تلبيدًا بدرجة حرارة عالية. الفيلم 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.

التحضير الحراري المائي للأغشية السميكة له العديد من المزايا:

① تكتمل العملية في الطور السائل في وقت واحد، ولا يلزم إجراء معالجة حرارية بعد التبلور، وبالتالي تجنب العيوب مثل التشقق أو خشونة الحبوب أو التفاعل مع الركيزة أو الغلاف الجوي التي قد تحدث أثناء عملية المعالجة الحرارية؛

②تستخدم المواد غير العضوية كسلائف، ويستخدم الماء كوسيط للتفاعل. المواد الخام متاحة بسهولة، مما يقلل من تكلفة إعداد الفيلم ويقلل التلوث البيئي؛

③ المعدات بسيطة، ودرجة حرارة المعالجة الحرارية المائية منخفضة، مما يتجنب الانتشار البيني لمكونات الفيلم والركيزة قبل وبعد المعالجة الحرارية المائية. الفيلم الناتج لديه درجة نقاء عالية وتوحيد جيد. بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام هذه الطريقة لتحضير الأغشية السميكة، يمكن ترسيب الأغشية السميكة على أسطح الركيزة ذات الأشكال المعقدة المختلفة. تتمتع الأفلام السميكة الناتجة بمزايا معينة تتمثل في الاستقطاب التلقائي والتباطؤ المنخفض والترابط الجيد مع الركائز. . في الوقت الحاضر، جذبت هذه الطريقة المزيد والمزيد من الاهتمام.

6. طريقة الترسيب الكهربي

يشير الترسيب الكهربي (EPD) إلى تشتيت المسحوق الناعم المحضر بنفس تركيبة الطبقة السميكة في المعلق لتكوين معلق بتركيزات مختلفة، وضبط قيمة الرقم الهيدروجيني للمعلق باستخدام محلول حمضي-قاعدي. يتم الحصول على تعليق مستقر من خلال التشتت بالموجات فوق الصوتية والتحريك المغناطيسي، وتحت ضغط مستمر، تتحرك الجزيئات المشحونة بشكل مباشر تحت تأثير المجال الكهربائي، وبالتالي الحصول على فيلم سميك بسماكة معينة. يتميز الفيلم السميك المحضر بهذه الطريقة بمزايا المعدات البسيطة، وتشكيل الفيلم بسرعة، والشكل غير المحدود للأجزاء المطلية، وسمك الفيلم الموحد ويمكن التحكم فيه، وما إلى ذلك. يمكن أن يصل الفيلم السميك الناتج إلى عشرات الميكرونات، والتركيب موحد وكثيف.