Piezoelektrické materiály jsou funkční materiály, které realizují přeměnu mezi mechanickou energií a elektrickou energií(2)

Způsob přípravy piezoelektrického filmu

Metody přípravy piezoelektrických tenkých vrstev jsou především tradiční metody vakuového potahování, včetně potahování vakuovým napařováním, potahování naprašováním, potahování chemickým napařováním se připravuje v tloušťce 0 ~ 18μm, nová metoda sol-gel, hydrotermální metoda, metoda elektroforetické depozice se připravuje 10-100μm piezoelektrický tlustý filmový materiál.

Tlustý piezoelektrický film obvykle označuje piezoelektrický film  piezoelektrický polokulový měnič  o tloušťce 10 až 100 μm. Ve srovnání s tenkým filmem jsou jeho piezoelektrické a feroelektrické vlastnosti méně ovlivněny rozhraním a povrchem; díky své relativně velké tloušťce může tento druh materiálu také generovat velkou hnací sílu a má širší pracovní frekvenci; ve srovnání se sypkým materiálem je jeho provozní napětí nízké, frekvence použití je vysoká a je kompatibilní s polovodičovými procesy.

1. Povlak na vakuové napařování

Vakuové napařovací povlak má za úkol odpařit látku zahřátím a uložit ji na pevný povrch, což se nazývá odpařovací povlak. Tuto metodu poprvé navrhl M. Faraday v roce 1857 a modernizace se stala jednou z běžně používaných technologií povlakování.

Vakuové napařování zahrnuje následující tři základní procesy:

(1) Proces ohřevu a odpařování včetně procesu okrajování z kondenzované fáze do plynné fáze (pevná fáze nebo kapalná fáze → plynná fáze). Každá odpařující se látka má při různých teplotách jiný tlak nasycených par. Při odpařování sloučeniny reagují její složky a některé z nich se dostávají do odpařovacího prostoru v plynném stavu nebo páře.

(2) Přeprava odpařených atomů nebo molekul mezi zdrojem odpařování a substrátem a proces letu těchto příkladů v okolní atmosféře. Počet srážek se zbytkovými molekulami plynu ve vakuové komoře během letu závisí na průměrné volné dráze odpařených atomů a vzdálenosti od zdroje odpařování k substrátu, často nazývané vzdálenost zdroj-báze.

(3) Proces srážení odpařených atomů nebo molekul na povrchu substrátu a kondenzace par, nukleace, růst jádra a tvorba souvislého filmu. Protože teplota substrátu je mnohem nižší než teplota zdroje odpařování, proces fázového přechodu molekul usazených na povrchu substrátu piezokeramika piezoelektrický měnič bude probíhat přímo z plynné fáze do pevné fáze....

Když se látka vypařuje, je důležité znát tlak nasycených par, rychlost odpařování a průměrnou volnou dráhu vypařovaných molekul. Existují tři typy zdrojů odpařování.

①Odporový zdroj ohřevu: vyroben ze žáruvzdorných kovů, jako je wolfram a tantal vyrobený z lodní fólie nebo vlákna, procházející proudem k ohřevu odpařovacího materiálu nad ním nebo umístěný v kelímku (zdroj odporového ohřevu se používá hlavně k odpařování Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni a dalších materiálů.

② Vysokofrekvenční indukční zdroj ohřevu: ohřev kelímku a odpařování materiálu vysokofrekvenčním indukčním proudem.

③ Zdroj ohřevu elektronovým paprskem: vhodný pro materiály s vysokou vypařovací teplotou (ne nižší než 2000), to znamená bombardovat materiál elektronovým paprskem, aby se odpařil.

Za účelem nanesení vysoce čistého monokrystalového filmu lze použít epitaxi molekulárního paprsku. Trysková pec je vybavena molekulárním zdrojem paprsku. Když se zahřeje na určitou teplotu pod ultravysokým vakuem,  piezodiskové měničové  prvky v peci jsou směrovány k substrátu jako paprsek molekulárního toku. Substrát se zahřeje na určitou teplotu, molekuly uložené na substrátu mohou migrovat a krystaly rostou v pořadí mřížky substrátu. Metodou epitaxe molekulárním paprskem lze získat monokrystalický film vysoce čisté sloučeniny s požadovaným stechiometrickým poměrem a film roste nejpomaleji. Rychlost lze regulovat rychlostí 1 vrstva/s. Řízením přepážky lze přesně vyrobit tenké piezokrystalické filmy s požadovaným složením a strukturou. Epitaxe molekulárního paprsku se široce používá k výrobě různých optických integrovaných zařízení a různých filmů supermřížkové struktury

2. Vakuové naprašování

Příklad s kinetickou energií více než několik stovek elektronvoltů nebo iontový paprsek bombarduje pevný povrch, takže atomy v blízkosti pevného povrchu získají část energie dopadajících částic a opustí pevnou látku a vstoupí do vakua. Tento jev se nazývá rozprašování. Fenomén rozprašování zahrnuje složitý proces rozptylu a je doprovázen různými mechanismy přenosu energie.

Obecně se má za to, že tento proces je především tzv. kolizní kaskádový proces, to znamená, že dopadající ionty se elasticky srážejí s cílovými atomy, takže cílové atomy získají dostatečnou energii k překonání potenciální bariéry tvořené okolními atomy a opuštění původní polohy a další a blízké atomy se srážejí. Když tato srážková kaskáda dosáhne povrchu cílového atomu, takže atomy získají energii vyšší, než je povrchová vazebná energie, tyto atomy opustí povrch cílového atomu a vstoupí do vakua. Nyní je dalším výzkumem naprašování povlakování magnetronovým naprašováním. Magnetronové naprašování má provádět vysokorychlostní naprašování pod nízkým tlakem a je nutné efektivně zvýšit rychlost ionizace plynu. Zavedením magnetického pole na povrch cílové katody se magnetické pole používá k omezení nabitých částic ke zvýšení hustoty plazmatu ke zvýšení rychlosti rozprašování. Použijte vnější magnetické pole k zachycení elektronů, prodloužení a omezení dráhy pohybu elektronů, zvýšení rychlosti ionizace a zvýšení rychlosti povlakování.

4. Nová metoda gelového roztoku

Nová metoda sol-gel je přidat připravený prášek (stejné složení jako sol) k solu a poté přidat určité organické rozpouštědlo do roztoku jako dispergační činidlo a přidat další organická rozpouštědla pro úpravu viskozity a pH roztoku. Kontinuální ultrazvukové vibrace dispergují nano-prášek v roztoku a nakonec získá stejnoměrný práškový roztok a nanese požadovaný film na substrát metodou sol-gel. V tomto procesu ukládání působí částice prášku jako zárodečné krystaly.

Tímto způsobem lze vyrobit silnou fólii o tloušťce desítek mikronů. Zabraňuje problémům s praskáním nebo dokonce odlupováním filmu způsobeným tlustým filmem připraveným tradiční metodou sol-gel. Připravené složky tlustého filmu jsou rovnoměrně promíchány a mají vysokou čistotu a nevyžadují vysokoteplotní slinování. Výsledný silný film je kompatibilní s procesem přípravy polovodiče. A zařízení je jednoduché, náklady jsou nízké a složení membrány lze řídit, takže tato metoda se v současné době používá častěji.

5. Hydrotermální metoda

Hydrotermální metoda znamená použití vodného roztoku jako reakčního média ve speciálně vyrobené uzavřené reakční nádobě (autoklávu). Zahříváním reakční nádoby se vytváří vysokoteplotní, vysokotlaké reakční prostředí, takže se normálně nerozpustné nebo nerozpustné látky rozpouštějí a rekrystalizují. Silný film připravený tímto způsobem má stechiometricky zamíchat některé sloučeniny v připravované tlustovrstvé složce do nasyceného roztoku v určitém alkalickém prostředí a upravit hodnotu PH. Poté se roztok přenese do autoklávu a po určité reakční době lze na substrátu vypěstovat určitou tloušťku.

Hydrotermální příprava silných filmů má mnoho výhod:

① Proces je dokončen v kapalné fázi najednou a není nutné žádné tepelné zpracování po krystalizaci, čímž se zabrání defektům, jako je praskání, hrubnutí zrna, reakce se substrátem nebo atmosférou, které mohou být způsobeny během procesu tepelného zpracování;

②Anorganické materiály se používají jako prekurzory a jako reakční médium se používá voda. Suroviny jsou snadno dostupné, což snižuje náklady na přípravu filmu a má menší znečištění životního prostředí;

③ Zařízení je jednoduché a teplota hydrotermální úpravy je nízká, což zabraňuje vzájemné difúzi složek filmu a substrátu před a po hydrotermální úpravě. Výsledný film má vysokou čistotu a dobrou jednotnost. Kromě toho, když se tento způsob použije k přípravě silných filmů, mohou být silné filmy naneseny na povrchy substrátů různých složitých tvarů. Výsledné tlusté filmy mají určité výhody spontánní polarizace, nízké hystereze a dobré vazby se substráty. . V současnosti tato metoda přitahuje stále větší pozornost.

6. Metoda elektroforetické depozice

Elektroforetická depozice (EPD) označuje dispergování připraveného jemného prášku se stejným složením jako tlustý film v suspenzi za vzniku suspenze s různými koncentracemi a úpravu hodnoty pH suspenze pomocí acidobazického roztoku. Stabilní suspenze se získává ultrazvukovou disperzí a magnetickým mícháním a za konstantního tlaku se nabité částice pohybují směrově působením elektrického pole, čímž se získá silný film o určité tloušťce. Silný film připravený touto metodou má výhody jednoduchého vybavení, rychlé tvorby filmu, neomezeného tvaru pokovených dílů, rovnoměrné a kontrolovatelné tloušťky filmu atd. Výsledný silný film může dosahovat desítek mikronů, složení je jednotné a husté.