مواد پیزوالکتریک مواد کاربردی هستند که تبدیل بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را درک می کنند (2)

روش تهیه فیلم پیزوالکتریک

روش‌های تهیه لایه‌های نازک پیزوالکتریک عمدتاً روش‌های سنتی پوشش خلاء هستند، از جمله پوشش تبخیر خلاء، پوشش کندوپاش، پوشش رسوب بخار شیمیایی در ضخامت 0 ~ 18μm تهیه می‌شود، روش جدید سل-ژل، روش هیدروترمال، روش رسوب الکتروفورتیک لایه‌ای ضخیم 10-10 میکرومتر تهیه می‌شود.

فیلم پیزوالکتریک ضخیم معمولاً به یک فیلم پیزوالکتریک اشاره دارد  مبدل نیمکره پیزوالکتریک  با ضخامت 10 تا 100 میکرومتر. 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 ماده 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 تبخیری خلاء عبارت است از تبخیر یک ماده با حرارت دادن و رسوب آن بر روی یک 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 شامل فرآیند لبه 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 رسوب‌گذاری روی سطح زیرلایه انجام می‌شود. مبدل پیزوالکتریک پیزو سرامیک مستقیماً از فاز گاز به فاز جامد رخ می دهد.

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.

①منبع گرمایش مقاومتی: ساخته شده از فلزات نسوز مانند تنگستن و تانتالیوم ساخته شده از فویل یا رشته قایق، عبور جریان برای گرم کردن مواد تبخیر بالای آن یا قرار دادن در بوته (منبع گرمایش مقاومتی عمدتاً برای تبخیر Cd، Pb، Ag، Al، Cu، Cr، Au، Ni و سایر مواد استفاده می شود.

② منبع گرمایش القایی فرکانس بالا: گرم کردن بوته و مواد در حال تبخیر با جریان القایی فرکانس بالا.

③ منبع گرمایش پرتو الکترونی: مناسب برای مواد با دمای تبخیر بالا (نه کمتر از 2000)، یعنی مواد را با پرتو الکترونی بمباران کنید تا تبخیر شود.

به منظور رسوب یک فیلم تک کریستالی با خلوص بالا، می توان از اپیتاکسی پرتو مولکولی استفاده کرد. کوره جت مجهز به منبع پرتو مولکولی است. وقتی تحت خلاء فوق العاده بالا تا دمای معینی گرم می شود  عناصر مبدل دیسک پیزو  در کوره به عنوان یک پرتو جریان مولکولی به سمت بستر هدایت می شوند. بستر تا دمای معینی گرم می‌شود، مولکول‌های رسوب‌شده روی بستر می‌توانند مهاجرت کنند و کریستال‌ها به ترتیب شبکه زیرلایه رشد می‌کنند. روش اپیتاکسی پرتو مولکولی می تواند یک فیلم تک کریستالی از ترکیب با خلوص بالا با نسبت استوکیومتری مورد نیاز به دست آورد و فیلم کندترین رشد را دارد. سرعت را می توان در 1 لایه در ثانیه کنترل کرد. با کنترل بافل می توان لایه های نازک تک پیزو کریستال با ترکیب و ساختار دلخواه را با دقت ساخت. اپیتاکسی پرتو مولکولی به طور گسترده برای ساخت دستگاه های مختلف نوری و فیلم های ساختاری ابرشبکه مختلف استفاده می شود.

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 فرودی به صورت کشسانی با اتم‌های هدف برخورد می‌کنند، به طوری که اتم‌های هدف انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیل تشکیل‌شده توسط اتم‌های اطراف را به دست می‌آورند و موقعیت اصلی را ترک می‌کنند و اتم‌های بیشتر 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. اکنون تحقیقات بیشتر در مورد پوشش کندوپاش، پوشش کندوپاش 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 بر 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 مهار مسیر حرکت الکترون ها، افزایش نرخ یونیزاسیون و افزایش نرخ پوشش استفاده کنید.

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 و سپس یک حلال آلی خاص را به عنوان پخش کننده به محلول اضافه می کنیم و برای تنظیم ویسکوزیته و pH محلول، حلال های آلی دیگر را اضافه می کنیم. ارتعاش مداوم اولتراسونیک نانو پودر را در محلول پراکنده می کند و در نهایت محلول پودری یکنواختی به دست می آید و فیلم مورد نیاز را به روش سل-ژل بر روی بستر رسوب می دهد. 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 آماده شده به طور یکنواخت مخلوط شده و خلوص بالایی دارند و نیازی به تف جوشی در دمای بالا ندارند. 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 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.

آماده سازی هیدروترمال فیلم های ضخیم مزایای زیادی دارد:

① فرآیند در فاز مایع در یک زمان تکمیل می‌شود و نیازی به عملیات حرارتی پس از کریستالیزاسیون نیست، بنابراین از نقص‌هایی مانند ترک خوردن، درشت شدن دانه، واکنش با بستر یا اتمسفر که ممکن است در طول فرآیند عملیات حرارتی ایجاد شود، جلوگیری می‌شود.

②مواد غیر آلی به عنوان پیش سازها و آب به عنوان محیط واکنش استفاده می شود. مواد اولیه به راحتی در دسترس است، که هزینه تهیه فیلم را کاهش می دهد و آلودگی محیطی کمتری دارد.

③ تجهیزات ساده هستند و دمای عملیات هیدروترمال پایین است، که از پخش شدن لایه و اجزای بستر قبل و بعد از عملیات هیدروترمال جلوگیری می کند. فیلم حاصل از خلوص بالا و یکنواختی خوبی برخوردار است. علاوه بر این، زمانی که از این روش برای تهیه فیلم‌های ضخیم استفاده می‌شود، می‌توان لایه‌های ضخیم را بر روی سطوح زیرلایه با اشکال پیچیده مختلف رسوب داد. لایه های ضخیم به دست آمده دارای مزایای خاصی از جمله پلاریزاسیون خود به خود، پسماند کم و اتصال خوب با بسترها هستند. . در حال حاضر این روش بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.

6. روش رسوب الکتروفورتیک

رسوب الکتروفورتیک (EPD) به پراکندگی پودر ریز تهیه شده با همان ترکیب فیلم ضخیم در سوسپانسیون برای تشکیل سوسپانسیون با غلظت های مختلف و تنظیم مقدار pH سوسپانسیون با محلول اسید-باز اشاره دارد. تعلیق پایدار از طریق پراکندگی اولتراسونیک و هم زدن مغناطیسی به دست می آید و تحت فشار ثابت، ذرات باردار تحت تأثیر میدان الکتریکی به صورت جهت حرکت می کنند و در نتیجه یک فیلم ضخیم با ضخامت معین به دست می آید. فیلم ضخیم تهیه شده با این روش دارای مزایای تجهیزات ساده، تشکیل فیلم سریع، شکل نامحدود قطعات آبکاری شده، ضخامت فیلم یکنواخت و قابل کنترل و غیره است. فیلم ضخیم حاصل می تواند به ده ها میکرون برسد و ترکیب یکنواخت و متراکم است.