مواد سرامیکی پیزوالکتریک مواد کاربردی هستند که تبدیل بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را انجام می دهند (1)

مواد پیزوالکتریک مواد کاربردی هستند که تبدیل بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را درک می کنند. توسعه آن سابقه طولانی دارد. از زمان کشف اثر پیزوالکتریک بر روی کریستال های کوارتز توسط برادران کوری در دهه 1880، مواد پیزوالکتریک توجه گسترده ای را به خود جلب کردند. با تعمیق تحقیقات، تعداد زیادی از مواد پیزوالکتریک مانند مواد سرامیکی کاربردی پیزوالکتریک، فیلم پیزو، مواد کامپوزیت پیزوالکتریک و ... این مواد کاربرد بسیار گسترده ای دارند و نقش مهمی در دستگاه های تبدیل عملکردی مانند برق، مغناطیس، صدا، نور، گرما، رطوبت، گاز و نیرو دارند.

فیلم پیزوالکتریک PVDF
فیلم پیزوالکتریک PVDF یک فیلم پیزوالکتریک پلی وینیلیدین فلوراید است. در سال 1969، ژاپنی ها ماده پلیمری پلی وینیلیدین فلوراید (پلیمر پلی وینیلیدین فلوراید) به نام PVDF را کشف کردند که دارای اثر پیزوالکتریک بسیار قوی است. فیلم PVDF عمدتا دارای دو نوع کریستال پیزو است، یعنی نوع α و نوع β. کریستال پیزو نوع α دارای پیزوالکتریک نیست، اما پس از اینکه فیلم PVDF رول و کشیده شد، کریستال نوع α اصلی در فیلم به ساختار کریستالی نوع β تبدیل می شود. هنگامی که فیلم PVDF کشیده و پلاریزه شده تحت نیروی خارجی یا تغییر شکل در جهت خاصی قرار می گیرد، سطح پلاریزه شده مبدل سطح اولتراسونیک بار الکتریکی خاصی تولید می کند، یعنی اثر پیزوالکتریک.

در مقایسه با سرامیک های پیزوالکتریک و کریستال های پیزوالکتریک، فیلم های پیزوالکتریک دارای مزایای زیر هستند:

(1) وزن سبک، چگالی آن تنها یک چهارم PZT سرامیکی پیزوالکتریک معمولی است، چسبانده شده روی جسم اندازه گیری تقریباً هیچ تأثیری بر ساختار اصلی ندارد، انعطاف پذیری الاستیک بالا، می تواند به شکل خاصی پردازش شود. سطح اندازه گیری کاملاً نصب شده است، با استحکام مکانیکی بالا و مقاومت در برابر ضربه.
(2) خروجی ولتاژ بالا، تحت شرایط استرس یکسان، ولتاژ خروجی 10 برابر بیشتر از سرامیک های پیزوالکتریک است.
(3) استحکام دی الکتریک بالا که می تواند در مقابل اثر میدان الکتریکی قوی (75 ولت بر متر) مقاومت کند، در این زمان اکثر سرامیک های پیزوالکتریک دپلاریزه شده اند.
(4) امپدانس آکوستیک کم است، تنها یک دهم PZT سرامیکی پیزوالکتریک، نزدیک به آب، بافت انسانی و بدن چسبناک است.
(5) پاسخ فرکانس گسترده است و اثر الکترومکانیکی را می توان از 10-3 هرتز به 109 تبدیل کرد و حالت ارتعاش ساده است.

خواص فیلم پیزو
1. ثابت دی الکتریک
اگرچه فیلم پیزوالکتریک یک فیلم تک کریستالی یا یک فیلم پلی کریستالی با جهت گیری ترجیحی است، بسته بندی اتمی در آن به اندازه کریستال متراکم و مرتب نیست، بنابراین مقدار ثابت دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک با مقدار کریستال متفاوت است. علاوه بر این، اغلب تنش های داخلی پسماند زیادی در فیلم و دلایل اندازه گیری وجود دارد که باعث می شود مقدار ثابت دی الکتریک فیلم با مقدار متناظر کریستال متفاوت باشد.
مطالعات موجود نشان داده است که ثابت دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک نه تنها به جهت کریستالی مرتبط است، بلکه به شرایط آزمایش نیز بستگی دارد. ثابت دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک دارای پراکندگی قابل توجهی است. علاوه بر تفاوت در تنش داخلی و شرایط آزمایش، به طور کلی اعتقاد بر این است که تفاوت بین نسبت ترکیب شیمیایی و ضخامت لایه ترکیب فیلم با ضخامت لایه کاهش می‌یابد. نازک و کوچک. علاوه بر این، ثابت دی الکتریک لایه نازک پیزوالکتریک نیز با دما و فرکانس به طور قابل توجهی تغییر می کند.

2. مقاومت حجمی
از منظر کاهش افت دی الکتریک و فرکانس شل شدن فیلم پیزوالکتریک، انتظار می رود که مقاومت بسیار بالایی داشته باشد، حداقل ρv≥108Ω • سانتی متر. مقاومت فیلم AlN 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · سانتی متر است که بسیار بالاتر از 108 Ω · سانتی متر است، بنابراین از این نظر، AlN یک فیلم بسیار عالی است. علاوه بر این، تغییر در هدایت الکتریکی لایه‌های پیزوالکتریک AlN با دما نیز از قانون 1nσ∝1 / T پیروی می‌کند. هیچ یک از بلورهای دارای اثر پیزوالکتریک مرکز تقارن ندارند، بنابراین تحرک الکترون آنها نیز ناهمسانگرد است و هدایت الکتریکی آنها نیز متفاوت است. رسانایی لایه پیزوالکتریک AlN در امتداد جهت محور C با جهت عمود بر محور C متفاوت است. اولی حدود 1 تا 2 مرتبه قدر کوچکتر است.

3. مماس زاویه اتلاف
مماس تلفات دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک AlN tanδ = 0.003 ～ 0.005 است و tanδ فیلم ZnO بزرگتر است که 0.005 ～ 0.01 است. دلیل زیاد بودن tanδ این فیلم ها این است که علاوه بر فرآیند رسانایی، این فیلم ها دارای پدیده آرامش قابل توجهی نیز هستند. مشابه لایه نازک دی الکتریک، رنگ قهوهای مایل به زرد لایه ضخیم پیزوالکتریک به تدریج با افزایش دما و فرکانس و افزایش رطوبت افزایش می یابد. علاوه بر این، با کاهش ضخامت فیلم، tan δ تمایل به افزایش دارد. بدیهی است که افزایش tan δ با دما به دلیل افزایش رسانایی و افزایش شل کننده ها است. با فرکانس افزایش می یابد زیرا تعداد دفعات آرامش در زمان افزایش می یابد.

4. قدرت شکست
چون قدرت میدان شکست دی الکتریک به پارامتر قدرت تعلق دارد و عیوب مختلف در فیلم اجتناب ناپذیر است، قدرت میدان شکست فیلم پیزوالکتریک دارای پراکندگی قابل توجهی است. تئوری شکست دی الکتریک. با کاهش ضخامت لایه، قدرت میدان شکست باید به تدریج افزایش یابد. اما در واقع، از آنجایی که فیلم حاوی عیوب بسیاری است، با کوچکتر شدن ضخامت، تأثیر نقص بیشتر است، بنابراین وقتی ضخامت به مقدار معینی کاهش می یابد، قدرت میدان شکست فیلم به شدت کوچکتر می شود. قدرت میدان شکست فیلم، علاوه بر دلایل خود فیلم، تأثیر لبه الکترود را نیز در طول آزمایش دارد. از آنجایی که هرچه فیلم ضخیم تر باشد، میدان الکتریکی در لبه الکترود ناهموارتر می شود، بنابراین با افزایش ضخامت لایه، قدرت میدان شکست آن به تدریج کاهش می یابد. علاوه بر عوامل فوق، قدرت میدان شکست فیلم دی الکتریک به ساختار فیلم نیز بستگی دارد. برای فیلم پیزوالکتریک، قدرت میدان شکست نیز به جهت میدان الکتریکی بستگی دارد، یعنی در قدرت میدان شکست نیز ناهمسانگرد است. به دلیل وجود مرزهای دانه در فیلم پلی کریستالی، قدرت میدان شکست آن کمتر از فیلم آمورف است. به دلایل مشابه، قدرت میدان شکست فیلم پیزوالکتریک ترجیحی جهت گرایش در جهت جهت دانه بیشتر از جهت عمود است. قدرت میدان شکست کمتر است.

مانند سایر فیلم های دی الکتریک، قدرت میدان شکست فیلم پیزوالکتریک نیز به برخی عوامل خارجی مانند شکل موج ولتاژ، فرکانس، دما و الکترودها بستگی دارد. از آنجایی که قدرت میدان شکست فیلم پیزوالکتریک به عوامل بسیاری مرتبط است، برای همان فیلم، مقادیر قدرت میدان شکست گزارش شده در ادبیات مربوطه اغلب متناقض است و حتی بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، قدرت میدان شکست فیلم ZnO 0.01 ~ 0.4MV / سانتی متر است، فیلم AlN 0.5 ~ 6.0MV / سانتی متر است.

5. عملکرد موج صوتی حجیم
مهمترین پارامترهای مشخصه مبدلهای پیزوالکتریک موج آکوستیک حجیم فرکانس تشدید f0، امپدانس آکوستیک Za و ضریب جفت الکترومکانیکی K هستند، بنابراین سرعت صدا υ و ضریب دمای فیلم پیزوالکتریک، امپدانس آکوستیک ضریب همبستگی خاص و الکترومکانیکی خاص هستند. این خواص فیلم نه تنها به خاصیت ارتجاعی، دی الکتریک، پیزوالکتریک و حرارتی دانه های کریستال در فیلم بستگی دارد، بلکه با ساختار فیلم پیزوالکتریک مانند درجه فشردگی دانه ها و درجه جهت گیری ترجیحی نیز ارتباط نزدیکی دارد. در فیلم پیزوالکتریک، به دلیل نقص و کرنش دانه کریستال، تک بلوری کامل نیست، بنابراین ثابت فیزیکی فیلم کمی با مقدار کریستال متفاوت است. از آنجا که ساختار فیلم پیزوالکتریک ارتباط نزدیکی با فرآیند آماده سازی دارد، حتی برای همان فیلم پیزوالکتریک، مقادیر عملکرد گزارش شده در متون مختلف اغلب متناقض است. در میان تمام فیلم‌های پیزوالکتریک غیرآلی غیرآلی، فیلم AlN دارای ثابت الاستیک بزرگ، اما چگالی کم و بالاترین سرعت صوت است. بنابراین، این فیلم برای دستگاه های UHF و مایکروویو مناسب است.

6. عملکرد موج صوتی سطحی
هنگامی که موج صوتی سطحی در سطح پخش می شود مبدل سیلندر پیزوالکتریک ، دامنه جابجایی ذرات آن به سرعت با افزایش فاصله از سطح محیط کاهش می یابد، بنابراین انرژی موج صوتی سطحی عمدتاً در دو طول موج بعدی روی سطح متمرکز می شود. عملکرد موج صوتی سطحی ماده فیلم را می توان به صورت فرمول عملکردی زیر بیان کرد: عملکرد موج صوتی سطحی = F (مواد خام، بستر، ساختار فیلم، حالت موج، جهت انتشار، شکل الکترود بین دیجیتالی، محصول عدد موج ضخامت) جدول پارامترهای عملکرد موج صوتی را نمی توان با یک مقدار نشان داد. یکی دیگر از ویژگی های موج صوتی فیلم های پیزوالکتریک تلفات انتقال است. از آنجایی که فیلم‌های پیزوالکتریک اغلب به عنوان رسانه انتقال صوتی در دستگاه‌های موج سطحی استفاده می‌شوند، منبع تلفات انتقال عمدتاً پراکندگی امواج صوتی در فیلم پیزوالکتریک و زیرلایه است.

روش تهیه فیلم پیزوالکتریک
روش‌های تهیه لایه‌های نازک پیزوالکتریک عمدتاً شامل روش‌های سنتی پوشش خلاء شامل پوشش تبخیر خلاء، پوشش sputter و پوشش رسوب شیمیایی بخار با ضخامت 0-18 میکرومتر و روش جدید سل-ژل، روش هیدروترمال و روش الکتروفورتیک 110μm می‌باشد. مواد فیلم ضخیم
فیلم پیزوالکتریک ضخیم معمولاً به یک فیلم پیزوالکتریک با ضخامت 10 تا 100 میکرومتر اشاره دارد. در مقایسه با لایه نازک، خواص پیزوالکتریک و فروالکتریک آن کمتر تحت تأثیر سطح مشترک و سطح قرار می گیرد. به دلیل ضخامت نسبتاً بزرگ آن، این نوع مواد PZT همچنین می تواند نیروی محرکه زیادی ایجاد کند و فرکانس عملیاتی گسترده تری دارد. در مقایسه با مواد حجیم، ولتاژ عملیاتی آن کم است، فرکانس استفاده زیاد است و با فرآیندهای نیمه هادی سازگار است.

1. پوشش تبخیر خلاء
پوشش تبخیر خلاء عبارت است از تبخیر ماده با حرارت دادن و رسوب آن بر روی سطح جامد که به آن پوشش تبخیری می گویند. این روش برای اولین بار توسط M. Faraday در سال 1857 پیشنهاد شد و مدرنیزاسیون به یکی از فناوری های رایج پوشش تبدیل شده است.
پوشش تبخیر خلاء شامل سه فرآیند اساسی زیر است:
(1) فرآیند گرمایش و تبخیر، از جمله فرآیند لبه‌بندی تغییر از فاز متراکم به فاز گاز (فاز جامد یا فاز مایع → فاز گاز). هر ماده در حال تبخیر فشار بخار اشباع متفاوتی در دماهای مختلف دارد. هنگام تبخیر یک ترکیب، اجزای آن واکنش نشان می دهند و برخی از آنها در حالت گاز یا بخار وارد فضای تبخیر می شوند.
(2) انتقال اتم ها یا مولکول های تبخیر شده بین منبع تبخیر و بستر و فرآیند پرواز این نمونه ها در جو محیط. تعداد برخورد با مولکول‌های گاز باقی‌مانده در محفظه خلاء در طول پرواز به میانگین مسیر آزاد اتم‌های تبخیر شده و فاصله منبع تبخیر تا زیرلایه بستگی دارد که اغلب فاصله منبع-پایه نامیده می‌شود.
(3) فرآیند رسوب اتم‌ها یا مولکول‌های تبخیر شده روی سطح بستر، و تراکم بخار، هسته‌زایی، رشد هسته‌ای و تشکیل یک فیلم پیوسته. از آنجایی که دمای بستر بسیار کمتر از دمای منبع تبخیر است، فرآیند انتقال فاز مولکول‌های رسوبی روی سطح بستر مستقیماً از فاز گاز به فاز جامد رخ می‌دهد.
هنگامی که یک ماده تبخیر می شود، دانستن فشار بخار اشباع، سرعت تبخیر و متوسط ​​مسیر آزاد مولکول های تبخیر شده مهم است. سه نوع منبع تبخیر وجود دارد.

2. پوشش کندوپاش خلاء
نمونه ای با انرژی جنبشی بیش از چند صد الکترون ولت یا یک پرتو یونی سطح جامد را بمباران می کند، به طوری که اتم های نزدیک به سطح جامد بخشی از انرژی ذرات فرود را به دست می آورند و جامد را برای ورود به خلاء رها می کنند. این پدیده کندوپاش نامیده می شود. پدیده کندوپاش شامل یک فرآیند پراکندگی پیچیده است و با مکانیسم های مختلف انتقال انرژی همراه است. عموماً اعتقاد بر این است که این فرآیند عمدتاً به اصطلاح فرآیند آبشار برخورد است، یعنی یون‌های فرود به‌طور الاستیکی با اتم‌های هدف برخورد می‌کنند، به طوری که اتم‌های هدف انرژی کافی برای غلبه بر مانع پتانسیل تشکیل‌شده توسط اتم‌های اطراف را به دست می‌آورند و موقعیت اصلی را ترک می‌کنند و اتم‌های دورتر و نزدیک با هم برخورد می‌کنند. هنگامی که این آبشار برخورد به سطح اتم هدف می رسد به طوری که اتم ها انرژی بالاتر از انرژی اتصال سطحی به دست می آورند، این اتم ها از سطح اتم هدف خارج شده و وارد خلاء می شوند. در حال حاضر تحقیقات بیشتر در مورد پوشش کندوپاش پوشش مگنترون است. کندوپاش مگنترونی برای انجام کندوپاش با سرعت بالا در فشار کم است و لازم است به طور موثر نرخ یونیزاسیون گاز افزایش یابد. با وارد کردن میدان مغناطیسی روی سطح کاتد هدف، میدان مغناطیسی برای مهار ذرات باردار برای افزایش چگالی پلاسما برای افزایش سرعت کندوپاش استفاده می‌شود. از میدان مغناطیسی خارجی برای گرفتن الکترون ها، گسترش و محدود کردن مسیر حرکت الکترون ها، افزایش نرخ یونیزاسیون و افزایش نرخ پوشش استفاده کنید.

3. پوشش رسوب بخار شیمیایی
رسوب بخار شیمیایی یک روش رشد بخار شیمیایی است که به عنوان فناوری CVD (رسوب بخار شیمیایی) شناخته می شود. در این روش گاز عنصری حاوی یک یا چند ترکیب تشکیل دهنده عنصر لایه نازک به زیرلایه عرضه می شود و لایه نازک مورد نیاز با فاز گازی یا واکنش شیمیایی روی سطح زیرلایه با استفاده از منابع انرژی مانند گرمایش، پلاسما، اشعه ماوراء بنفش یا حتی نور لیزر تشکیل می شود. از آنجایی که روش CVD از واکنش های گازی مختلف برای تهیه لایه نازک استفاده می کند، ترکیب لایه نازک را می توان به طور دلخواه کنترل کرد، به طوری که می توان بسیاری از مواد فیلم جدید تولید کرد. هنگامی که از روش CVD برای تهیه یک لایه نازک استفاده می شود، دمای رشد آن به طور قابل توجهی کمتر از نقطه ذوب ماده تشکیل دهنده لایه نازک است، لایه فیلم حاصل از یکنواختی خوبی برخوردار است، دارای پوشش پله ای است و برای بسترهایی با اشکال پیچیده مناسب است. به دلیل مزایای آن مانند سرعت رسوب بالا، سوراخ های کمی، خلوص بالا، فشردگی و نقص های کمی در تشکیل کریستال، دامنه کاربرد رسوب بخار شیمیایی بسیار گسترده است. روش CVD را می توان برای تهیه مواد فیلم ضخیم پیزوالکتریک با سطح متراکم، صاف، ضخامت 0 ~ 18μm و عملکرد عالی استفاده کرد. بنابراین، در تهیه فیلم های ضخیم پیزوالکتریک، روش CVD به سرعت توسعه یافته و توسط بسیاری از محققین پذیرفته شده است.

4. روش ژل محلول جدید
روش جدید سل-ژل به این صورت است که پودر آماده شده (همان ترکیب سل) را به محلول اضافه می کنیم، سپس یک حلال آلی معین به محلول به عنوان دیسپرس کننده اضافه می کنیم، حلال های آلی دیگر را برای تنظیم ویسکوزیته و pH محلول اضافه می کنیم و در نهایت عدم ارتعاش مافوق صوت پیوسته، محلول نانو را پخش می کند و در نهایت پودرهای یکنواخت در محلول به دست می آید. فیلم مورد نیاز به روش سل ژل بر روی بستر رسوب می شود. در این فرآیند رسوب، ذرات پودر به عنوان کریستال بذر عمل می کنند.
به این ترتیب می توان یک فیلم ضخیم با ضخامت ده ها میکرون تولید کرد. از مشکل ترک خوردن یا حتی ریزش فیلم ناشی از فیلم ضخیم تهیه شده به روش سنتی سل-ژل جلوگیری می کند. اجزای فیلم ضخیم تهیه شده به طور یکنواخت مخلوط شده و خلوص بالایی دارند و نیازی به تف جوشی در دمای بالا ندارند و فیلم ضخیم حاصل با فرآیند آماده سازی نیمه هادی سازگار است. و تجهیزات ساده است، هزینه کم است، و ترکیب غشا را می توان کنترل کرد، بنابراین این روش در حال حاضر بیشتر استفاده می شود.

5. روش هیدروترمال
روش هیدروترمال به استفاده از یک محلول آبی به عنوان محیط واکنش در یک ظرف واکنش بسته مخصوص ساخته شده (اتوکلاو) اشاره دارد. با حرارت دادن ظرف واکنش، یک محیط واکنش با دمای بالا و فشار بالا ایجاد می شود، به طوری که مواد معمولی نامحلول یا نامحلول حل شده و متبلور می شوند. فیلم ضخیم تهیه شده با این روش به این صورت است که به صورت استوکیومتری برخی از ترکیبات موجود در جزء فیلم ضخیم را مخلوط می کند تا در یک محلول اشباع در یک محیط قلیایی خاص آماده شود و مقدار PH را تنظیم کند. پس از آن، محلول به اتوکلاو منتقل می شود و پس از یک زمان واکنش مشخص می توان ضخامت خاصی را روی بستر کشت کرد.