Piezoelektriske keramiske materialer er funktionelle materialer, der realiserer omdannelsen mellem mekanisk energi og elektrisk energi (1)

Piezoelektriske materialer er funktionelle materialer, der realiserer omdannelsen mellem mekanisk energi og elektrisk energi. Dens udvikling har en lang historie. Siden CURIE-brødrenes opdagelse af den piezoelektriske effekt på kvartskrystaller i 1880'erne, har piezoelektriske materialer tiltrukket sig udbredt opmærksomhed. Med uddybningen af ​​forskningen har et stort antal piezoelektriske materialer, såsom piezoelektriske funktionelle keramiske materialer, piezofilm, piezoelektriske kompositmaterialer osv. Disse materialer har en meget bred vifte af anvendelser, og spiller en vigtig rolle i funktionelle konverteringsanordninger såsom elektricitet, magnetisme, lyd, lys, varme, fugtighed, gas og kraft.

PVDF piezoelektrisk film
PVDF piezoelektrisk film er polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. I 1969 opdagede japanerne polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) omtalt som PVDF, som har en meget stærk piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har hovedsageligt to piezokrystaltyper, nemlig α-type og β-type. α-type piezokrystal har ikke piezoelektricitet, men efter at PVDF-filmen er rullet og strakt, bliver den originale α-type krystal i filmen en β-type krystalstruktur. Når den strakte og polariserede PVDF-film udsættes for ekstern kraft eller deformation i en bestemt retning, ultralydsniveautransducer vil den polariserede overflade af filmen generere en bestemt elektrisk ladning, det vil sige den piezoelektriske effekt.

Sammenlignet med piezoelektrisk keramik og piezoelektriske krystaller har piezoelektriske film følgende fordele:

(1) Letvægts, dens massefylde er kun en fjerdedel af den almindeligt anvendte piezoelektriske keramiske PZT, klistret på måleobjektet har næsten ingen effekt på den oprindelige struktur, høj elastisk fleksibilitet, kan behandles til en bestemt form. Måleoverfladen er fuldstændig monteret, med høj mekanisk styrke og slagfasthed;
(2) Højspændingsoutput, under de samme stressforhold, er udgangsspændingen 10 gange højere end piezoelektrisk keramik;
(3) Høj dielektrisk styrke, der kan modstå virkningen af ​​et stærkt elektrisk felt (75V / um), på dette tidspunkt er de fleste piezoelektriske keramik blevet depolariseret;
(4) Den akustiske impedans er lav, kun en tiendedel af den piezoelektriske keramiske PZT, tæt på vand, menneskeligt væv og viskøs krop;
(5) Frekvensresponsen er bred, og den elektromekaniske effekt kan konverteres fra 10-3Hz til 109, og vibrationstilstanden er enkel.

Piezofilmegenskaber
1. Dielektrisk konstant
Selvom den piezoelektriske film er en enkeltkrystalfilm eller en polykrystallinsk film med foretrukken orientering, er atompakningen i den ikke så tæt og ordnet som i krystallen, så den dielektriske konstantværdi af den piezoelektriske film er forskellig fra værdien af ​​krystallen. Ud over dette er der ofte store interne restspændinger i filmen og årsagerne til målingen, som også bevirker, at filmens dielektriske konstantværdi er forskellig fra den tilsvarende værdi af krystallen.
Eksisterende undersøgelser har vist, at den dielektriske konstant af den piezoelektriske film ikke kun er relateret til krystalorienteringen, men også afhænger af testbetingelserne. Den piezoelektriske films dielektriske konstant har en betydelig spredning. Ud over forskellen i indre spænding og testbetingelser antages forskellen mellem det kemiske sammensætningsforhold og filmtykkelsen af ​​filmsammensætningen generelt at falde med filmens tykkelse. Tynd og lille. Derudover vil den dielektriske konstant for den piezoelektriske tyndfilm også ændre sig væsentligt med temperatur og frekvens.

2. Volumenresistivitet
Ud fra et perspektiv om at reducere det dielektriske tab og relaksationsfrekvensen af ​​den piezoelektriske film, forventes det, at den har en meget høj resistivitet, mindst ρv≥108Ω • cm. Modstanden af ​​AlN-film er 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, hvilket er meget højere end 108Ω · cm, så i denne henseende er AlN en meget fremragende film. Derudover følger ændringen i elektrisk ledningsevne af AlN piezoelektriske film med temperatur også 1nσ∝1 / T-loven. Ingen af ​​krystallerne med piezoelektrisk effekt har et symmetricenter, så deres elektronmobilitet er også anisotropisk, og deres elektriske ledningsevne er også anderledes. Ledningsevnen af ​​den AlN piezoelektriske film langs C-aksens retning er forskellig fra retningen vinkelret på C-aksen. Førstnævnte er omkring 1 til 2 størrelsesordener mindre.

3. Tabsvinkeltangens
Den dielektriske tabstangens for den AlN piezoelektriske film er tanδ = 0,003 ～ 0,005, og tanδ af ZnO-filmen er større, hvilket er 0,005 ～ 0,01. Grunden til, at tanδ af disse film er så stor, er, at ud over konduktansprocessen har disse film også betydelige afspændingsfænomener. I lighed med den dielektriske tynde film øges tan δ af den piezoelektriske tyk film gradvist med stigningen i temperatur og frekvens og stigning i fugtighed. Derudover, når filmtykkelsen falder, har tan δ en tendens til at stige. Det er klart, at stigningen i tan δ med temperaturen skyldes stigningen i konduktans og stigningen i relaxorer. Det stiger med frekvensen, fordi antallet af afslapningstider over tid stiger.

4. Nedbrydningsstyrke
Fordi den dielektriske nedbrydningsfeltstyrke hører til styrkeparameteren, og forskellige defekter er uundgåelige i filmen, har nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film en betydelig spredning; den dielektriske nedbrydningsteori. Nedbrydningsfeltstyrken bør gradvist stige, efterhånden som filmtykkelsen falder. Men faktisk, fordi filmen indeholder mange defekter, er virkningen af ​​defekten mere signifikant, da tykkelsen er mindre, så når tykkelsen reduceres til en vis værdi, bliver filmens nedbrydningsfeltstyrke kraftigt mindre. Filmens nedbrydningsfeltstyrke har, ud over årsagerne til selve filmen, også indflydelse på elektrodens kant under testen. Da jo tykkere filmen er, jo mere ujævn er det elektriske felt ved kanten af ​​elektroden, så efterhånden som filmtykkelsen øges, falder dens nedbrydningsfeltstyrke gradvist. Ud over de ovennævnte faktorer afhænger nedbrydningsfeltstyrken af ​​den dielektriske film også af filmstrukturen. For den piezoelektriske film afhænger nedbrydningsfeltstyrken også af retningen af ​​det elektriske felt, det vil sige, at den også er anisotropisk i nedbrydningsfeltstyrken. På grund af eksistensen af ​​korngrænser i den polykrystallinske film er dens nedbrydningsfeltstyrke lavere end den for den amorfe film; af lignende årsager er nedbrydningsfeltstyrken af ​​den fortrinsvis orienterede piezoelektriske film i kornorienteringsretningen højere end den i den vinkelrette retning. Nedbrydningsfeltstyrken er lavere.

Ligesom andre dielektriske film afhænger nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film også af nogle eksterne faktorer, såsom spændingsbølgeform, frekvens, temperatur og elektroder. Fordi nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film er relateret til mange faktorer, for den samme film, er nedbrydningsfeltstyrkeværdierne rapporteret i den relevante litteratur ofte inkonsistente og varierer endda meget. For eksempel er nedbrydningsfeltstyrken af ​​ZnO-filmen 0,01 ~ 0,4 MV / cm, AlN-film er 0,5 ~ 6,0 MV / cm.

5. Bulk akustisk bølgeydelse
De vigtigste karakteristiske parametre for bulk akustiske bølge piezoelektriske transducere er resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za og elektromekanisk koblingskoefficient K, så lydhastigheden υ og temperaturkoefficienten for piezoelektrisk film, akustisk impedans og elektromekanisk er særligt strenge koblingskoefficienter. Disse egenskaber af filmen afhænger ikke kun af elasticiteten, dielektriske, piezoelektriske og termiske egenskaber af krystalkornene i filmen, men er også tæt forbundet med strukturen af ​​den piezoelektriske film, såsom graden af ​​kompakthed af kornene og graden af ​​foretrukken orientering. I den piezoelektriske film er det på grund af krystalkornets defekter og belastning ikke en perfekt enkeltkrystal, så filmens fysiske konstant er lidt forskellig fra krystalværdien. Fordi strukturen af ​​den piezoelektriske film er tæt forbundet med forberedelsesprocessen, selv for den samme piezoelektriske film, er ydeevneværdierne rapporteret i de forskellige litteraturer ofte inkonsistente. Blandt alle uorganiske ikke-jernholdige piezoelektriske film har AlN-filmen en stor elastisk konstant, men en lav tæthed og den højeste lydhastighed. Derfor er filmen mest velegnet til UHF- og mikrobølgeapparater.

6. Overflade akustisk bølge ydeevne
Når den overflade akustiske bølge forplanter sig i piezoelektrisk cylindertransducer , dens partikelforskydningsamplitude dæmpes hurtigt, efterhånden som afstanden fra mediets overflade øges, så overfladens akustiske bølgeenergi er hovedsageligt koncentreret i de næste to bølgelængder på overfladen. Filmmaterialets overfladeakustiske bølgeydelse kan udtrykkes som følgende funktionelle formel: overfladeakustiske bølgeydelse = F (råmateriale, substrat, filmstruktur, bølgetilstand, udbredelsesretning, interdigital elektrodeform, tykkelsesbølgetalsprodukt) En tabel med lydbølgeydelsesparametre kan ikke repræsenteres med en enkelt værdi. En anden akustisk bølgeegenskab ved piezoelektriske film er transmissionstab. Fordi piezoelektriske film ofte bruges som akustiske transmissionsmedier i overfladebølgeanordninger, er kilden til transmissionstab hovedsageligt spredningen af ​​akustiske bølger i den piezoelektriske film og substratet.

Fremgangsmåde til fremstilling af piezoelektrisk film
Forberedelsesmetoderne for piezoelektriske tynde film omfatter hovedsageligt traditionelle vakuumbelægningsmetoder, herunder vakuumfordampningsbelægning, sputterbelægning og kemisk dampaflejringsbelægning med en tykkelse på 0-18 μm, og ny sol-gel-metode, hydrotermisk metode og elektroforetisk filmaflejringsmetode 100 ～ 100 ～ tykt filmmateriale 100 μ.
Tyk piezoelektrisk film refererer normalt til en piezoelektrisk film med en tykkelse på 10 til 100 μm. Sammenlignet med den tynde film er dens piezoelektriske og ferroelektriske egenskaber mindre påvirket af grænsefladen og overfladen; på grund af dets relativt store tykkelse kan denne slags PZT-materiale også generere en stor drivkraft og har en bredere driftsfrekvens; sammenlignet med bulkmaterialet er dets driftsspænding lav, brugsfrekvensen er høj, og den er kompatibel med halvlederprocesser.

1. Vakuumfordampningsbelægning
Vakuumfordampningsbelægning er at fordampe et stof ved opvarmning og aflejre det på en fast overflade, som kaldes fordampningsbelægning. Denne metode blev først foreslået af M. Faraday i 1857, og modernisering er blevet en af ​​de almindeligt anvendte belægningsteknologier.
Vakuumfordampningsbelægning omfatter følgende tre grundlæggende processer:
(1) Opvarmnings- og fordampningsproces, herunder kantningsprocessen med at skifte fra kondenseret fase til gasfase (fast fase eller flydende fase → gasfase). Hvert fordampende stof har et forskelligt mættet damptryk ved forskellige temperaturer. Ved fordampning af en forbindelse reagerer dens komponenter, og nogle af dem kommer ind i fordampningsrummet i gasform eller damp.
(2) Transporten af ​​fordampede atomer eller molekyler mellem fordampningskilden og substratet og disse eksemplers flyveproces i den omgivende atmosfære. Antallet af kollisioner med resterende gasmolekyler i vakuumkammeret under flyvning afhænger af den gennemsnitlige frie vej for de fordampede atomer og afstanden fra fordampningskilden til substratet, ofte kaldet kilde-base-afstanden.
(3) Udfældningsprocessen af ​​fordampede atomer eller molekyler på overfladen af ​​substratet og dampkondensation, kernedannelse, nuklear vækst og dannelsen af ​​en kontinuerlig film. Da substratets temperatur er meget lavere end fordampningskildens temperatur, vil faseovergangsprocessen for aflejringsmolekylerne på substratoverfladen ske direkte fra gasfasen til den faste fase.
Når et stof fordamper, er det vigtigt at kende det mættede damptryk, fordampningshastigheden og den gennemsnitlige frie vej for de fordampede molekyler. Der er tre typer af fordampningskilder.

2. Vakuumforstøvningsbelægning
Et eksempel med en kinetisk energi på mere end et par hundrede elektronvolt eller en ionstråle bombarderer den faste overflade, således at atomerne tæt på den faste overflade opnår en del af energien fra de indfaldende partikler og efterlader det faste stof for at komme ind i vakuumet. Dette fænomen kaldes sputtering. Sputtering-fænomenet involverer en kompleks spredningsproces og er ledsaget af forskellige energioverførselsmekanismer. Det antages generelt, at denne proces hovedsageligt er den såkaldte kollisionskaskadeproces, det vil sige, at de indfaldende ioner kolliderer elastisk med målatomerne, således at målatomerne opnår tilstrækkelig energi til at overvinde den potentielle barriere dannet af de omgivende atomer og forlade den oprindelige position, og yderligere og nærliggende atomer kolliderer. Når denne kollisionskaskade når overfladen af ​​målatomet, således at atomerne opnår energi højere end overfladebindingsenergien, vil disse atomer forlade overfladen af ​​målatomet og gå ind i et vakuum. Nu er flere undersøgelser om sputterbelægning magnetron sputterbelægning. Magnetronsputtering er at udføre højhastighedssputtering under lavt tryk, og det er nødvendigt for effektivt at øge gassens ioniseringshastighed. Ved at indføre et magnetfelt på overfladen af ​​målkatoden, bruges magnetfeltet til at begrænse de ladede partikler for at øge plasmatætheden for at øge sputteringshastigheden. Brug et eksternt magnetfelt til at fange elektroner, udvide og begrænse elektronernes bevægelsesvej, øge ioniseringshastigheden og øge belægningshastigheden.

3. Kemisk dampaflejringsbelægning
Kemisk dampaflejring er en kemisk dampvækstmetode, kaldet CVD-teknologi (Chemical Vapour Deposition). I denne metode tilføres den elementære gas, der indeholder en eller flere forbindelser, der udgør tyndfilmselementet, til substratet, og den nødvendige tynde film dannes ved gasfase eller kemisk reaktion på overfladen af ​​substratet ved at bruge energikilder såsom opvarmning, plasma, ultraviolet lys eller endda laserlys. Da CVD-metoden anvender forskellige gasreaktioner til at fremstille tyndfilmen, kan sammensætningen af ​​tyndfilmen styres vilkårligt, så mange nye filmmaterialer kan fremstilles. Når CVD-metoden bruges til at fremstille en tynd film, er dens væksttemperatur væsentligt lavere end smeltepunktet for tyndfilmbestanddelen, det resulterende filmlag har god ensartethed, har trindækning og er velegnet til substrater med komplekse former. På grund af dets fordele, såsom høj aflejringshastighed, få nålehuller, høj renhed, kompakthed og få krystaldannende defekter, er anvendelsesområdet for kemisk dampaflejring meget bredt. CVD-metoden kan bruges til at fremstille piezoelektriske tykfilmmaterialer med tæt, glat overflade, tykkelse på 0 ~ 18μm og fremragende ydeevne. Derfor har CVD-metoden udviklet sig hurtigt ved fremstillingen af ​​piezoelektriske tykke film og er blevet vedtaget af mange forskere.

4. Ny opløsningsgel-metode
Den nye sol-gel-metode er at tilsætte det forberedte pulver (samme sammensætning som solen) til solen, derefter tilsætte et bestemt organisk opløsningsmiddel til opløsningen som et dispergeringsmiddel, tilsætte andre organiske opløsningsmidler for at justere viskositeten og pH-værdien af ​​opløsningen, og endelig ikke kontinuerlig ultralydsvibration spreder nano-pulverne i opløsningen, og endelig opnår en ensartet pulveropløsning. Den nødvendige film afsættes på substratet ved hjælp af sol-gel-metoden. I denne aflejringsproces fungerer pulverpartiklerne som frøkrystaller.
På denne måde kan der fremstilles en tyk film med en tykkelse på ti mikrometer. Det undgår problemet med revner eller endda filmafgivelse forårsaget af den tykke film fremstillet ved den traditionelle sol-gel-metode. De fremstillede tykfilmkomponenter er ensartet blandet og høj i renhed og kræver ikke højtemperatursintring, og den resulterende tykke film er kompatibel med halvlederfremstillingsprocessen. Og udstyret er enkelt, omkostningerne er lave, og membransammensætningen kan kontrolleres, så denne metode bruges i øjeblikket oftere.

5. Hydrotermisk metode
Den hydrotermiske metode refererer til brugen af ​​en vandig opløsning som reaktionsmedium i en specialfremstillet lukket reaktionsbeholder (autoklav). Ved opvarmning af reaktionsbeholderen skabes et højtemperatur- og højtryksreaktionsmiljø, således at normalt uopløselige eller uopløselige stoffer opløses og omkrystalliseres. Den tykke film fremstillet ved denne metode er at støkiometrisk blande nogle forbindelser i den tykfilmskomponent, der skal fremstilles, til en mættet opløsning i et bestemt alkalisk medium og justere PH-værdien. Derefter overføres opløsningen til en autoklave, og en vis tykkelse kan dyrkes på substratet efter en vis reaktionstid.