Piezoelektriske materialer er funktionelle materialer, der realiserer omdannelsen mellem mekanisk energi og elektrisk energi(2)

Fremgangsmåde til fremstilling af piezoelektrisk film

Forberedelsesmetoderne til piezoelektriske tynde film er hovedsageligt traditionelle vakuumbelægningsmetoder, herunder vakuumfordampningsbelægning, sputterbelægning, kemisk dampaflejringsbelægning er fremstillet i en tykkelse på 0 ~ 18μm, ny sol-gel-metode, hydrotermisk metode, elektroforetisk afsætningsmetode fremstilles 10-100μm tykt filmmateriale.

Tyk piezoelektrisk film refererer normalt til en piezoelektrisk film  piezoelektrisk halvkugle transducer  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 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 afsætte 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 fordampningsprocessen, herunder kantningsprocessen fra den kondenserede fase til gasfasen (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 temperaturen af ​​substratet er meget lavere end temperaturen af ​​fordampningskilden, er faseovergangsprocessen for aflejringsmolekylerne på substratoverfladen piezo keramik piezoelektrisk transducer vil forekomme 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.

①Modstandsopvarmningskilde: lavet af ildfaste metaller såsom wolfram og tantal lavet af bådfolie eller filament, der passerer strøm for at opvarme fordampningsmaterialet over det eller placeres i diglen (modstandsvarmekilde bruges hovedsageligt til at fordampe Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni og andre materialer.

② Højfrekvent induktionsvarmekilde: opvarmning af digelen og fordampningsmateriale med højfrekvent induktionsstrøm.

③ Elektronstrålevarmekilde: velegnet til materialer med høj fordampningstemperatur (ikke mindre end 2000), det vil sige bombardere materialet med elektronstråle for at få det til at fordampe.

For at afsætte en enkeltkrystalfilm med høj renhed kan molekylær stråleepitaksi anvendes. Jetovnen er udstyret med en molekylær strålekilde. Når det opvarmes til en bestemt temperatur under ultrahøjt vakuum, vil den  piezo-skive transducerelementer  i ovnen er rettet mod substratet som en stråle af molekylær strømning. Substratet opvarmes til en bestemt temperatur, molekylerne aflejret på substratet kan migrere, og krystallerne dyrkes i rækkefølgen af ​​substratgitteret. Molekylærstråleepitaximetoden kan opnå en enkelt krystalfilm af høj renhedsforbindelse med det nødvendige støkiometriske forhold, og filmen vokser langsomst. Hastigheden kan styres med 1 enkelt lag/sekund. Ved at styre baflen kan tynde enkelt piezokrystalfilm med ønsket sammensætning og struktur fremstilles nøjagtigt. Molekylær stråleepitaxi er meget udbredt til fremstilling af forskellige optiske integrerede enheder og forskellige supergitterstrukturfilm

2. Vakuum sputtering belægning

Et eksempel med en kinetisk energi på mere end et par hundrede elektronvolt eller en ionstråle bombarderer den faste overflade, så atomerne tæt på den faste overflade opnår en del af energien fra de indfaldende partikler og forlader 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 mere forskning om sputterbelægning magnetronforstøvningsbelægning. Magnetronsputtering er at udføre højhastighedssputtering under lavt tryk, og det er nødvendigt for effektivt at øge gassens ioniseringshastighed. Ved at indføre et magnetfelt på målkatodeoverfladen bruges magnetfeltet til at begrænse de ladede partikler for at øge plasmatætheden for at øge sputteringshastigheden. Brug et eksternt magnetfelt til at fange elektroner, forlænge og begrænse elektronernes bevægelsesvej, øge ioniseringshastigheden og øge belægningshastigheden.

4. Ny opløsningsgelmetode

Den nye sol-gel-metode er at tilsætte det forberedte pulver (samme sammensætning som solen) til solen og derefter tilsætte et bestemt organisk opløsningsmiddel til opløsningen som et dispergeringsmiddel og tilsætte andre organiske opløsningsmidler for at justere viskositeten og pH af opløsningen. Kontinuerlig ultralydsvibration spreder nano-pulveret i opløsningen og opnår til sidst en ensartet pulveropløsning og afsætter den nødvendige film på substratet ved 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 tykfilmskomponenter er ensartet blandet og høj i renhed, og som ikke kræver højtemperatursintring. Den resulterende tykke film er kompatibel med halvlederforberedelsesprocessen. Og udstyret er enkelt, omkostningerne er lave, og membransammensætningen kan kontrolleres, så denne metode bruges i øjeblikket oftere.

5. Hydrotermisk metode

Hydrotermisk 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.

Hydrotermisk fremstilling af tykke film har mange fordele:

① Processen afsluttes i flydende fase på én gang, og der kræves ingen varmebehandling efter krystallisation, hvorved man undgår defekter som revnedannelse, forgrovning af korn, reaktion med substratet eller atmosfæren, der kan være forårsaget under varmebehandlingsprocessen;

②Uorganiske materialer bruges som forstadier, og vand bruges som reaktionsmedium. Råvarerne er let tilgængelige, hvilket reducerer omkostningerne ved filmfremstilling og har mindre miljøforurening;

③ Udstyret er enkelt, og temperaturen på hydrotermisk behandling er lav, hvilket undgår interdiffusion af filmen og substratkomponenterne før og efter hydrotermisk behandling. Den resulterende film har høj renhed og god ensartethed. Derudover, når denne metode anvendes til at fremstille tykke film, kan tykke film afsættes på substratoverflader med forskellige komplekse former. De resulterende tykke film har visse fordele med spontan polarisering, lav hysterese og god binding med substrater. . På nuværende tidspunkt har denne metode tiltrukket sig mere og mere opmærksomhed.

6. Elektroforetisk aflejringsmetode

Elektroforetisk aflejring (EPD) refererer til at dispergere det fremstillede fine pulver med samme sammensætning som den tykke film i suspensionen for at danne en suspension med forskellige koncentrationer og justere pH-værdien af ​​suspensionen med syre-base opløsning. Stabil suspension opnås gennem ultralydspredning og magnetisk omrøring, og under konstant tryk bevæger de ladede partikler sig retningsbestemt under påvirkning af det elektriske felt, hvorved der opnås en tyk film med en vis tykkelse. Den tykke film fremstillet ved denne metode har fordelene ved simpelt udstyr, hurtig filmdannelse, ubegrænset form af de pletterede dele, ensartet og kontrollerbar filmtykkelse osv. Den resulterende tykke film kan nå op på titusinder af mikrometer, og sammensætningen er ensartet og tæt.