П'езаэлектрычныя керамічныя матэрыялы - гэта функцыянальныя матэрыялы, якія ажыццяўляюць пераўтварэнне механічнай энергіі ў электрычную (1)

П'езаэлектрычныя матэрыялы - гэта функцыянальныя матэрыялы, якія рэалізуюць пераўтварэнне механічнай энергіі ў электрычную. Яго развіццё мае доўгую гісторыю. З моманту адкрыцця п'езаэлектрычнага эфекту на крышталях кварца братамі КЮРЫ ў 1880-х гадах п'езаэлектрычныя матэрыялы прыцягнулі шырокую ўвагу. З паглыбленнем даследаванняў з'явілася вялікая колькасць п'езаэлектрычных матэрыялаў, такіх як п'езаэлектрычныя функцыянальныя керамічныя матэрыялы, п'езапленка, п'езаэлектрычныя кампазітныя матэрыялы і г. д. Гэтыя матэрыялы маюць вельмі шырокі спектр прымянення і гуляюць важную ролю ў функцыянальных прыладах пераўтварэння, такіх як электрычнасць, магнетызм, гук, святло, цяпло, вільготнасць, газ і сіла.

П'езаэлектрычная плёнка PVDF
П'езаэлектрычная плёнка PVDF - гэта п'езаэлектрычная плёнка з полівінілідэнфтарыду. У 1969 годзе японцы адкрылі палімерны матэрыял полівінілідэнфтарыд (полівінілідэнфтарыд палімер), які называецца PVDF, які валодае вельмі моцным п'езаэлектрычным эфектам. Плёнка PVDF у асноўным мае два тыпы п'езакрышталяў, а менавіта тып α і тып β. П'езакрышталь тыпу α не мае п'езаэлектрычнасці, але пасля згортвання і расцягвання плёнкі PVDF зыходны крышталь тыпу α ў плёнцы становіцца крышталічнай структурай тыпу β. Калі расцягнутая і палярызаваная плёнка PVDF падвяргаецца знешняй сіле або дэфармацыі ў пэўным кірунку, палярызаваная паверхня ультрагукавой датчык ўзроўню стварае пэўны электрычны зарад, гэта значыць п'езаэлектрычны эфект.

У параўнанні з п'езаэлектрычнай керамікай і п'езаэлектрычнымі крышталямі п'езаэлектрычныя плёнкі маюць наступныя перавагі:

(1) Лёгкі вага, яго шчыльнасць складае толькі чвэрць звычайна выкарыстоўванай п'езаэлектрычнай керамікі PZT, налепленая на аб'ект вымярэння, практычна не ўплывае на зыходную структуру, высокая эластычная гнуткасць, можа быць апрацавана ў пэўную форму. Вымяральная паверхня цалкам падагнаная, з высокай механічнай трываласцю і ўдаратрываласцю;
(2) Выхад высокага напружання, пры аднолькавых умовах напружання выхадное напружанне ў 10 разоў вышэй, чым у п'езаэлектрычнай керамікі;
(3) Высокая электрычная трываласць, якая можа супрацьстаяць уздзеянню моцнага электрычнага поля (75 В / мкм), у гэты час большасць п'езаэлектрычнай керамікі дэпалярызавана;
(4) Акустычны імпеданс нізкі, толькі адна дзесятая п'езаэлектрычнай керамікі PZT, блізкі да вады, чалавечай тканіны і вязкага цела;
(5) Частотная характарыстыка шырокая, электрамеханічны эфект можа быць пераўтвораны з 10-3 Гц у 109, а рэжым вібрацыі просты.

Уласцівасці п'езаплёнкі
1. Дыэлектрычная пастаянная
Нягледзячы на ​​тое, што п'езаэлектрычная плёнка ўяўляе сабой монакрышталічную плёнку або полікрышталічную плёнку з пераважнай арыентацыяй, упакоўка атамаў у ёй не такая шчыльная і ўпарадкаваная, як у крышталі, таму значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці п'езаэлектрычнай плёнкі адрозніваецца ад значэння крышталя. У дадатак да гэтага часта існуюць вялікія рэшткавыя ўнутраныя напружання ў плёнцы і прычыны вымярэння, якія таксама выклікаюць значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці плёнкі, якое адрозніваецца ад адпаведнага значэння крышталя.
Існуючыя даследаванні паказалі, што дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай плёнкі не толькі звязана з арыентацыяй крышталя, але і залежыць ад умоў выпрабаванняў. Дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай плёнкі мае значную дысперсію. У дадатак да розніцы ва ўнутраным напружанні і ўмовах выпрабаванняў, лічыцца, што розніца паміж суадносінамі хімічнага складу і таўшчынёй плёнкі кампазіцыі памяншаецца з таўшчынёй плёнкі. Тонкі і маленькі. Акрамя таго, дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай тонкай плёнкі таксама будзе істотна змяняцца з тэмпературай і частатой.

2. Аб'ёмны ўдзельны супраціў.
З пункту гледжання памяншэння дыэлектрычных страт і частоты рэлаксацыі п'езаэлектрычнай плёнкі чакаецца, што яна будзе мець вельмі высокі ўдзельны супраціў, па меншай меры ρv≥108Ω • см. Супраціў плёнкі AlN складае 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ом · см, што значна вышэй, чым 108 Ом · см, таму ў гэтым плане плёнка AlN з'яўляецца вельмі выдатнай. Акрамя таго, змяненне электраправоднасці п'езаэлектрычных плёнак AlN з тэмпературай таксама адпавядае закону 1nσ∝1 / T. Ні адзін з крышталяў з п'езаэлектрычным эфектам не мае цэнтра сіметрыі, таму іх рухомасць электронаў таксама анізатропная і іх электраправоднасць таксама розная. Праводнасць п'езаэлектрычнай плёнкі AlN уздоўж напрамку восі C адрозніваецца ад напрамку, перпендыкулярнага восі C. Першы прыкладна на 1-2 парадкі меншы.

3. Тангенс кута страт
Тангенс дыэлектрычных страт п'езаэлектрычнай плёнкі AlN складае tanδ = 0,003 ～ 0,005, а tanδ плёнкі ZnO большы, які складае 0,005 ～ 0,01. Прычына, чаму tanδ гэтых плёнак такая вялікая, заключаецца ў тым, што ў дадатак да працэсу праводнасці гэтыя плёнкі таксама маюць значныя з'явы рэлаксацыі. Падобна дыэлектрычнай тонкай плёнцы, tan δ п'езаэлектрычнай тоўстай плёнкі паступова павялічваецца з павышэннем тэмпературы і частаты, а таксама павелічэннем вільготнасці. Акрамя таго, па меры памяншэння таўшчыні плёнкі tan δ мае тэндэнцыю да павелічэння. Відавочна, што павелічэнне tan δ з тэмпературай звязана з павелічэннем праводнасці і павелічэннем релаксаторов. Ён павялічваецца з частатой, таму што павялічваецца колькасць часоў рэлаксацыі ў часе.

4. Трываласць прабоя
Паколькі напружанасць поля прабоя дыэлектрыка належыць да параметру трываласці, і розныя дэфекты непазбежныя ў плёнцы, напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі мае значную дысперсію; тэорыя прабоя дыэлектрыка. Напружанасць поля прабоя павінна паступова павялічвацца па меры памяншэння таўшчыні плёнкі. Але на самой справе, паколькі плёнка змяшчае шмат дэфектаў, уплыў дэфекту тым больш значны, чым меншая таўшчыня, таму, калі таўшчыня памяншаецца да пэўнага значэння, напружанасць поля прабоя плёнкі становіцца рэзка меншай. Напружанасць поля прабоя плёнкі, у дадатак да прычын самой плёнкі, таксама ўплывае на край электрода падчас выпрабаванні. Паколькі чым тоўшчы плёнка, тым больш нераўнамернае электрычнае поле на краі электрода, таму па меры павелічэння таўшчыні плёнкі яе напружанасць поля прабоя паступова памяншаецца. У дадатак да вышэйзгаданых фактараў, напружанасць поля прабоя дыэлектрычнай плёнкі таксама залежыць ад структуры плёнкі. Для п'езаэлектрычнай плёнкі напружанасць поля прабоя таксама залежыць ад напрамку электрычнага поля, гэта значыць яна таксама анізатропная па напружанасці поля прабоя. З-за існавання межаў зерняў у полікрышталічнай плёнцы яе напружанасць поля прабоя ніжэй, чым у аморфнай плёнкі; па аналагічных прычынах напружанасць поля прабоя пераважна арыентаванай п'езаэлектрычнай плёнкі ў кірунку арыентацыі зерня вышэй, чым у перпендыкулярным кірунку. Напружанасць поля прабоя ніжэй.

Як і ў іншых дыэлектрычных плёнках, напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі таксама залежыць ад некаторых знешніх фактараў, такіх як форма хвалі напружання, частата, тэмпература і электроды. Паколькі напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі звязана са шматлікімі фактарамі, для адной і той жа плёнкі значэнні напружанасці поля прабоя, якія паведамляюцца ў адпаведнай літаратуры, часта супярэчлівыя і нават моцна адрозніваюцца. Напрыклад, напружанасць поля прабоя плёнкі ZnO складае 0,01 ~ 0,4 МВ/см, плёнкі AlN — 0,5 ~ 6,0 МВ/см.

5. Прадукцыйнасць аб'ёмнай акустычнай хвалі
Найбольш важнымі характэрнымі параметрамі п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў аб'ёмнай акустычнай хвалі з'яўляюцца рэзанансная частата f0, акустычны імпеданс Za і электрамеханічны каэфіцыент сувязі K, таму хуткасць гуку υ і тэмпературны каэфіцыент п'езаэлектрычнай плёнкі, акустычны імпеданс і электрамеханічны каэфіцыент сувязі асабліва строгія. Гэтыя ўласцівасці плёнкі не толькі залежаць ад пругкасці, дыэлектрычных, п'езаэлектрычных і цеплавых уласцівасцей крышталічных зерняў у плёнцы, але таксама цесна звязаны са структурай п'езаэлектрычнай плёнкі, напрыклад, ступенню кампактнасці зерняў і ступенню пераважнай арыентацыі. П'езаэлектрычная плёнка з-за дэфектаў і дэфармацыі крышталічнага зерня не з'яўляецца ідэальным монакрышталем, таму фізічная пастаянная плёнкі нязначна адрозніваецца ад значэння крышталя. Паколькі структура п'езаэлектрычнай плёнкі цесна звязана з працэсам падрыхтоўкі, нават для адной і той жа п'езаэлектрычнай плёнкі значэнні прадукцыйнасці, якія паведамляюцца ў розных літаратурах, часта супярэчлівыя. Сярод усіх неарганічных п'езаэлектрычных плёнак з каляровых металаў плёнка AlN мае вялікую канстанту пругкасці, але нізкую шчыльнасць і самую высокую хуткасць гуку. Такім чынам, плёнка больш за ўсё падыходзіць для УВЧ і ЗВЧ-прыбораў.

6. Прадукцыйнасць павярхоўнай акустычнай хвалі
Калі павярхоўная акустычная хваля распаўсюджваецца ў п'езаэлектрычны цыліндрычны пераўтваральнік , яго амплітуда зрушэння часціц хутка змяншаецца па меры павелічэння адлегласці ад паверхні асяроддзя, таму энергія павярхоўнай акустычнай хвалі ў асноўным сканцэнтравана на дзвюх наступных даўжынях хваль на паверхні. Прадукцыйнасць павярхоўнай акустычнай хвалі плёнкавага матэрыялу можна выказаць наступнай функцыянальнай формулай: прадукцыйнасць павярхоўнай акустычнай хвалі = F (сыравіна, падкладка, структура плёнкі, форма хвалі, кірунак распаўсюджвання, форма міжпальцавага электрода, твор хвалевага ліку таўшчыні) Табліца параметраў прадукцыйнасці гукавой хвалі не можа быць прадстаўлена адным значэннем. Яшчэ адна ўласцівасць акустычнай хвалі п'езаэлектрычных плёнак - гэта страты перадачы. Паколькі п'езаэлектрычныя плёнкі часта выкарыстоўваюцца ў якасці асяроддзя перадачы гуку ў прыладах з павярхоўнымі хвалямі, крыніцай страт пры перадачы з'яўляецца ў асноўным рассейванне акустычных хваль у п'езаэлектрычнай плёнцы і падкладцы.

Метад падрыхтоўкі п'езаэлектрычнай плёнкі
Метады атрымання п'езаэлектрычных тонкіх плёнак у асноўным уключаюць традыцыйныя метады вакуумнага нанясення пакрыццяў, у тым ліку нанясенне пакрыццяў вакуумным выпарваннем, напыленнем і хімічным нанясеннем з парнай фазы таўшчынёй 0-18 мкм, а таксама новы золь-гель метад, гідратэрмальны метад і метад электрафарэтычнага нанясення 10 ~ 100 мкм. п'езаэлектрычны тоўсты плёнкавы матэрыял.
Тоўстая п'езаэлектрычная плёнка звычайна адносіцца да п'езаэлектрычнай плёнкі таўшчынёй ад 10 да 100 мкм. У параўнанні з тонкай плёнкай, яе п'езаэлектрычныя і сегнетоэлектрычныя ўласцівасці менш залежаць ад інтэрфейсу і паверхні; з-за сваёй адносна вялікай таўшчыні гэты від матэрыялу PZT можа таксама ствараць вялікую рухаючую сілу і мае больш шырокую працоўную частату; у параўнанні з масавым матэрыялам, яго працоўнае напружанне нізкае, частата выкарыстання высокая, і ён сумяшчальны з паўправадніковымі працэсамі.

1. Вакуумнае напыленне пакрыцця.
Вакуумнае напыленне заключаецца ў выпарэнні рэчывы шляхам награвання і нанясенні яго на цвёрдую паверхню, што называецца напыленнем. Упершыню гэты метад быў прапанаваны М. Фарадэем у 1857 годзе, і мадэрнізацыя стала адной з шырока выкарыстоўваных тэхналогій нанясення пакрыццяў.
Вакуумнае напыленне пакрыцця ўключае ў сябе наступныя тры асноўныя працэсы:
(1) Працэс награвання і выпарэння, уключаючы кантавы працэс пераходу з кандэнсаванай фазы ў газавую (цвёрдая фаза або вадкая фаза → газавая фаза). Кожнае рэчыва, якое выпараецца, мае розны ціск насычанай пары пры розных тэмпературах. Пры выпарэнні злучэння яго кампаненты ўступаюць у рэакцыю, і некаторыя з іх трапляюць у выпарную прастору ў газападобным стане або парах.
(2) Транспарціроўка выпараных атамаў або малекул паміж крыніцай выпарэння і падкладкай, а таксама працэс палёту гэтых прыкладаў у навакольнай атмасферы. Колькасць сутыкненняў з малекуламі рэшткавага газу ў вакуумнай камеры падчас палёту залежыць ад сярэдняй даўжыні вольнага прабегу выпараных атамаў і адлегласці ад крыніцы выпарэння да падкладкі, якую часта называюць адлегласцю крыніца-база.
(3) Працэс выпадзення выпараных атамаў або малекул на паверхню падкладкі, а таксама кандэнсацыя пары, зараджэнне зародкаў, рост ядра і ўтварэнне суцэльнай плёнкі. Паколькі тэмпература падкладкі значна ніжэй, чым тэмпература крыніцы выпарэння, працэс фазавага пераходу малекул адкладу на паверхні падкладкі будзе адбывацца непасрэдна з газавай фазы ў цвёрдую.
Калі рэчыва выпараецца, важна ведаць ціск насычанай пары, хуткасць выпарэння і сярэдні свабодны прабег выпараных малекул. Існуе тры тыпу крыніц выпарэння.

2. Вакуумнае распыленне пакрыцця
Прыклад з кінетычнай энергіяй больш за некалькі сотняў электронвольт або іённы прамень бамбардзіруе паверхню цвёрдага цела, так што атамы, блізкія да паверхні цвёрдага цела, атрымліваюць частку энергіі падаючых часціц і пакідаюць цвёрдае цела, каб увайсці ў вакуум. Гэта з'ява называецца распыленнем. Феномен распылення ўключае складаны працэс рассейвання і суправаджаецца рознымі механізмамі перадачы энергіі. Звычайна лічыцца, што гэты працэс у асноўным з'яўляецца так званым каскадным працэсам сутыкнення, гэта значыць іёны, якія падалі, пругка сутыкаюцца з атамамі мішэні, так што атамы мішэні атрымліваюць дастатковую энергію, каб пераадолець патэнцыйны бар'ер, утвораны навакольнымі атамамі, і пакінуць зыходнае становішча, а наступныя і бліжэйшыя атамы сутыкаюцца. Калі гэты каскад сутыкненняў дасягае паверхні мэтавага атама, так што атамы атрымліваюць энергію, большую, чым павярхоўная энергія сувязі, гэтыя атамы пакідаюць паверхню мэтавага атама і трапляюць у вакуум. У цяперашні час больш даследаванняў па напыленні пакрыццяў магнетронным напыленнем. Магнетроннае распыленне заключаецца ў выкананні высакахуткаснага распылення пад нізкім ціскам, і неабходна эфектыўна павялічыць хуткасць іянізацыі газу. Уводзячы магнітнае поле на паверхню катода-мішэні, магнітнае поле выкарыстоўваецца для стрымлівання зараджаных часціц для павелічэння шчыльнасці плазмы для павелічэння хуткасці распылення. Выкарыстоўвайце знешняе магнітнае поле, каб захапіць электроны, пашырыць і абмежаваць траекторыю руху электронаў, павялічыць хуткасць іянізацыі і павялічыць хуткасць пакрыцця.

3. Хімічнае асаджэнне з паравай фазы
Хімічнае асаджэнне з паравай фазы - гэта метад хімічнага вырошчвання з паравай фазы, які называецца тэхналогіяй CVD (хімічнае асаджэнне з парнай фазы). У гэтым метадзе элементарны газ, які змяшчае адно або некалькі злучэнняў, якія складаюць тонкаплёнкавы элемент, падаецца на падкладку, а неабходная тонкая плёнка ўтвараецца ў газавай фазе або хімічнай рэакцыі на паверхні падкладкі з дапамогай такіх крыніц энергіі, як награванне, плазма, ультрафіялетавае святло ці нават лазернае святло. Паколькі метад CVD выкарыстоўвае розныя газавыя рэакцыі для падрыхтоўкі тонкай плёнкі, склад тонкай плёнкі можна адвольна кантраляваць, так што можна вырабляць шмат новых плёнкавых матэрыялаў. Калі метад CVD выкарыстоўваецца для атрымання тонкай плёнкі, тэмпература яе росту значна ніжэй, чым тэмпература плаўлення складовага матэрыялу тонкай плёнкі, атрыманы пласт плёнкі мае добрую аднастайнасць, мае ступень пакрыцця і падыходзіць для падкладак складанай формы. З-за такіх пераваг, як высокая хуткасць нанясення, невялікая колькасць кропкавых адтулін, высокая чысціня, кампактнасць і невялікая колькасць дэфектаў, якія ўтвараюць крышталі, дыяпазон прымянення хімічнага нанясення з паравай фазы вельмі шырокі. Метад CVD можна выкарыстоўваць для падрыхтоўкі п'езаэлектрычных тоўстых плёнкавых матэрыялаў з шчыльнай, гладкай паверхняй, таўшчынёй 0 ~ 18 мкм і выдатнымі характарыстыкамі. Такім чынам, пры падрыхтоўцы п'езаэлектрычных тоўстых плёнак метад CVD хутка развіваўся і быў прыняты многімі даследчыкамі.

4. Новы гелевы метад раствора.
Новы золь-гель метад заключаецца ў даданні падрыхтаванага парашка (таго ж складу, што і золь) у золь, затым у раствор у якасці дыспергатара дадаюць пэўны арганічны растваральнік, дадаюць іншыя арганічныя растваральнікі для рэгулявання глейкасці і рн раствора, і, нарэшце, бесперапынная ультрагукавая вібрацыя не рассейвае нанапарашкі ў растворы і, нарэшце, атрымлівае аднастайны раствор парашка. Неабходная плёнка наносіцца на падкладку золь-гель метадам. У гэтым працэсе нанясення часціцы парашка дзейнічаюць як затравочныя крышталі.
Такім чынам можна атрымаць тоўстую плёнку таўшчынёй у дзясяткі мікрон. Гэта дазваляе пазбегнуць расколін або нават падзення плёнкі, выкліканай тоўстай плёнкай, прыгатаванай традыцыйным золь-гель метадам. Падрыхтаваныя кампаненты тоўстай плёнкі раўнамерна змяшаныя і маюць высокую чысціню і не патрабуюць спякання пры высокай тэмпературы, а атрыманая тоўстая плёнка сумяшчальная з працэсам падрыхтоўкі паўправаднікоў. І абсталяванне простае, і кошт невысокая, і склад мембраны можна кантраляваць, таму гэты метад у цяперашні час выкарыстоўваецца часцей.

5. Гідратэрмальны метад
Гідратэрмальны метад адносіцца да выкарыстання воднага раствора ў якасці рэакцыйнай асяроддзя ў спецыяльна зробленай закрытай рэакцыйнай ёмістасці (аўтаклаве). Пры награванні рэакцыйнага сасуда ствараецца рэакцыйнае асяроддзе з высокай тэмпературай і высокім ціскам, у выніку чаго звычайна нерастваральныя або нерастваральныя рэчывы раствараюцца і перакрышталізуюцца. Тоўстая плёнка, прыгатаваная гэтым метадам, заключаецца ў стэхіаметрычным змешванні некаторых злучэнняў у кампаненце тоўстай плёнкі, які трэба прыгатаваць, у насычаны раствор у пэўным шчолачным асяроддзі і рэгуляванні значэння PH. Пасля гэтага раствор пераносяць у аўтаклаў, і пасля пэўнага часу рэакцыі на падкладцы можна нарошчваць пэўную таўшчыню.