مواد پیزوالکتریک مواد کاربردی هستند که تبدیل بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را درک می کنند (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 به طور مداوم ظهور کرده اند، مانند مواد سرامیکی کاربردی پیزوالکتریک، فیلم پیزو، مواد کامپوزیتی پیزوالکتریک و غیره. دیسک های سرامیکی پیزو کاربرد بسیار گسترده ای دارند و نقش مهمی در تبدیل دستگاه های تبدیل عملکردی مانند الکتریسیته، 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 کریستالی است، یعنی نوع α و نوع β. کریستال 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 ماده بار الکتریکی خاصی تولید می کند، یعنی اثر پیزوالکتریک. کریستال دیسک سرامیکی پیزو.

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 بر روی جسم اندازه گیری تقریباً هیچ تأثیری بر ساختار اصلی ندارد، انعطاف پذیری الاستیک بالا، می تواند به شکل خاصی پردازش شود، می تواند هر سطح اندازه گیری کاملاً نصب شده باشد، 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 می تواند در برابر 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.

بنابراین، تنش و کرنش را می توان در مکانیک اندازه گیری کرد، شتاب سنج ها و حسگرهای مدال ارتعاش را می توان در ارتعاش ساخت، سنسورهای مدال تشعشع صوتی و مبدل های اولتراسونیک را می توان به صورت صوتی ساخت و در کنترل فعال استفاده کرد، و می توان در تحقیقات ربات استفاده کرد.

در حال حاضر تحقیقات بر روی مواد لایه نازک در جهات مختلف، کارایی بالا، فرآیندهای جدید و غیره در حال توسعه است و تحقیقات پایه آن نیز در سطح مولکولی، سطح اتمی، سطح نانو، ساختار مزوسکوپی و غیره عمیق است، بنابراین تحقیق در مورد مواد لایه نازک کاربردی از اهمیت بالایی برخوردار 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 یک کریستال محکم و منظم نیست، بنابراین مقدار ثابت دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک با مقدار کریستال متفاوت است. علاوه بر این، تنش‌های داخلی پسماند زیادی نیز وجود دارد که اغلب در لایه‌های نازک و دلایلی برای اندازه‌گیری یافت می‌شوند، که باعث می‌شوند مقدار ثابت دی الکتریک لایه نازک 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. علاوه بر این، ثابت دی الکتریک فیلم پیزوالکتریک نیز با تغییر دما و فرکانس به طور قابل توجهی تغییر می کند.

2. مقاومت حجمی

از منظر کاهش اتلاف دی الکتریک و فرکانس آرامش فیلم پیزوالکتریک، انتظار می رود که مقاومت بالایی داشته باشد، حداقل ρv≥108Ω•cm. مقاومت فیلم AlN 2×1014~1×1015Ω·cm است که بسیار بالاتر از 108Ω·cm 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. هدایت الکتریکی فیلم 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 از دست دادن

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 tanδ 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

از آنجا که قدرت میدان شکست دی الکتریک یک پارامتر قدرت و نقص های مختلف است مبدل نیمکره پیزوالکتریک در فیلم اجتناب ناپذیر است، قدرت میدان شکست فیلم پیزوالکتریک کاملاً پراکنده است. تئوری شکست دی الکتریک، برای یک فیلم کامل و دست نخورده، 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. علاوه بر علت خود فیلم، قدرت میدان شکست فیلم نیز تحت تأثیر لبه الکترود در طول آزمایش قرار می گیرد. 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 آن 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 در جهت جهت گیری 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/cm، فیلم AlN 0.5~6.0MV/cm است.

5. عملکرد موج آکوستیک انبوه

مهمترین پارامترهای مشخصه مبدل های پیزوالکتریک موج صوتی حجیم فرکانس تشدید f0، امپدانس آکوستیک Za و ضریب جفت الکترومکانیکی K هستند، بنابراین سرعت صدا υ و ضریب دمای فیلم پیزوالکتریک، امپدانس صوتی و ضریب جفت الکترومکانیکی بسیار دقیق 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 پیزو کریستال خوبی نیست، بنابراین ثابت فیزیکی فیلم کمی با مقدار کریستال متفاوت است.

از آنجایی که ساختار فیلم پیزوالکتریک ارتباط نزدیکی با فرآیند آماده‌سازی دارد، حتی برای همان فیلم پیزوالکتریک، مقادیر عملکرد گزارش‌شده در متون مختلف اغلب ناسازگار هستند. در میان تمام فیلم‌های پیزوالکتریک غیرآهنی 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 آکوستیک سطحی

هنگامی که موج صوتی سطحی در محیط پیزوالکتریک منتشر می شود، با افزایش فاصله از سطح محیط، دامنه جابجایی ذرات آن به سرعت کاهش می یابد، بنابراین انرژی موج صوتی سطح عمدتاً در دو طول موج بعدی روی سطح متمرکز می شود.

عملکرد موج صوتی سطحی مواد لایه نازک را می توان به صورت فرمول عملکردی زیر بیان کرد: عملکرد موج صوتی سطحی = F (مواد اولیه، بستر، ساختار فیلم، حالت موج، جهت انتشار، شکل الکترود بین رقمی، محصول عدد موج ضخامت)

بنابراین، هر پارامتر عملکرد موج صوتی سطحی فیلم پیزوالکتریک 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.