Pietsosähköiset materiaalit ovat toiminnallisia materiaaleja, jotka muuttavat mekaanista energiaa sähköenergiaksi(2)

Menetelmä pietsosähköisen kalvon valmistamiseksi

Pietsosähköisten ohutkalvojen valmistusmenetelmät ovat pääasiassa perinteisiä tyhjiöpinnoitusmenetelmiä, mukaan lukien tyhjiöhaihdutuspinnoite, sputterointipinnoite, kemiallinen höyrypinnoituspinnoite valmistetaan 0–18 μm:n paksuudella, uusi sooli-geelimenetelmä, hydroterminen menetelmä, elektroforeettinen kalvopinnoitusmenetelmä valmistetaan 10-100 μm:n paksuinen pietsosähköinen materiaali.

Paksu pietsosähköinen kalvo viittaa yleensä pietsosähköiseen kalvoon  Pietsosähköinen puolipallomuunnin,  jonka paksuus on 10-100 μm. Ohutkalvoon verrattuna rajapinta ja pinta vaikuttavat vähemmän sen pietsosähköisiin ja ferrosähköisiin ominaisuuksiin; suhteellisen suuren paksuutensa vuoksi tällainen materiaali voi myös tuottaa suuren käyttövoiman, ja sillä on laajempi toimintataajuus; bulkkimateriaaliin verrattuna sen käyttöjännite on alhainen, käyttötaajuus on korkea ja se on yhteensopiva puolijohdeprosessien kanssa.

1. Tyhjiöhaihdutuspinnoite

Tyhjiöhaihdutuspinnoitteella haihdutetaan aine kuumentamalla ja kerrostetaan kiinteälle pinnalle, jota kutsutaan haihdutuspinnoitteeksi. M. Faraday ehdotti tätä menetelmää ensimmäisen kerran vuonna 1857, ja modernisoinnista on tullut yksi yleisesti käytetyistä pinnoitustekniikoista.

Tyhjiöhaihdutuspinnoite sisältää seuraavat kolme perusprosessia:

(1) Kuumennus- ja haihdutusprosessi, mukaan lukien reunaprosessi kondensoituneesta faasista kaasufaasiin (kiinteä faasi tai nestefaasi → kaasufaasi). Jokaisella haihtuvalla aineella on erilainen kylläisen höyryn paine eri lämpötiloissa. Yhdistettä haihdutettaessa sen komponentit reagoivat, ja osa niistä pääsee haihtumistilaan kaasumaisessa tilassa tai höyrynä.

(2) Höyrystyneiden atomien tai molekyylien kuljettaminen haihdutuslähteen ja substraatin välillä ja näiden esimerkkien lentoprosessi ympäröivässä ilmakehässä. Tyhjökammiossa olevien jäännöskaasumolekyylien kanssa tapahtuvien törmäysten lukumäärä lennon aikana riippuu haihtuneiden atomien keskimääräisestä vapaasta reitistä ja etäisyydestä haihdutuslähteestä substraattiin, jota usein kutsutaan lähde-kantaetäisyydeksi.

(3) Höyrystyneiden atomien tai molekyylien saostusprosessi substraatin pinnalla ja höyryn kondensaatio, ydintyminen, ydinkasvu ja jatkuvan kalvon muodostuminen. Koska substraatin lämpötila on paljon alhaisempi kuin haihdutuslähteen lämpötila, kerrostumien molekyylien faasimuutosprosessi alustan pinnalla pietsokeramiikka pietsosähköinen muunnin tapahtuu suoraan kaasufaasista kiinteään faasiin....

Kun aine haihtuu, on tärkeää tietää kylläisen höyryn paine, haihtumisnopeus ja haihtuneiden molekyylien keskimääräinen vapaa reitti. Höyrystyslähteitä on kolmenlaisia.

① Resistanssilämpölähde: valmistettu tulenkestävistä metalleista, kuten volframista ja tantaalista, valmistettu veneen kalvosta tai filamentista, kulkee virta haihdutusmateriaalin lämmittämiseksi sen yläpuolella tai upokkaan sijoitettuna (vastuslämmityslähdettä käytetään pääasiassa Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni ja muiden materiaalien haihduttamiseen.

② Korkeataajuinen induktiolämmityslähde: upokkaan lämmitys ja materiaalin haihdutus korkeataajuisella induktiovirralla.

③ Elektronisuihkulämmityslähde: sopii materiaaleille, joiden haihtumislämpötila on korkea (vähintään 2000), eli pommittaa materiaalia elektronisäteellä, jotta se haihtuu.

Erittäin puhtaan yksikidekalvon kerrostamiseksi voidaan käyttää molekyylisädeepitaksia. Suihkuuuni on varustettu molekyylisädelähteellä. Kun se kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan ultrakorkeassa tyhjiössä,  uunissa olevat pietsolevymuunninelementit  on suunnattu substraattia kohti molekyylivirtauksen säteenä. Substraatti kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan, alustalle kerrostuneet molekyylit voivat kulkeutua ja kiteet kasvavat substraattihilan järjestyksessä. Molekyylisuihkuepitaksimenetelmällä voidaan saada yksikidekalvo erittäin puhtaasta yhdisteestä, jolla on vaadittu stoikiometrinen suhde, ja kalvo kasvaa hitain. Nopeutta voidaan säätää yhdellä kerroksella sekunnissa. Ohjaamalla ohjauslevyä voidaan valmistaa tarkasti yksittäisiä pietsokideohutkalvoja, joilla on haluttu koostumus ja rakenne. Molekyylisädeepitaksia käytetään laajasti erilaisten optisten integroitujen laitteiden ja erilaisten superhilarakennekalvojen valmistukseen

2. Tyhjiösputterointipinnoite

Esimerkki, jonka kineettinen energia on yli muutaman sadan elektronivoltin tai ionisuihku pommittaa kiinteää pintaa niin, että kiinteän pinnan lähellä olevat atomit saavat osan sisääntulevien hiukkasten energiasta ja jättävät kiinteän aineen tyhjiöön. Tätä ilmiötä kutsutaan sputteringiksi. Sputterointiilmiöön liittyy monimutkainen sirontaprosessi ja siihen liittyy erilaisia ​​energiansiirtomekanismeja.

Yleisesti uskotaan, että tämä prosessi on pääosin ns. törmäyskaskadiprosessi, eli tulevat ionit törmäävät elastisesti kohdeatomien kanssa niin, että kohdeatomit saavat riittävästi energiaa voittamaan ympäröivien atomien muodostaman potentiaaliesteen ja poistumaan alkuperäisestä asennosta, ja edelleen ja lähellä olevat atomit törmäävät. Kun tämä törmäyskaskadi saavuttaa kohdeatomin pinnan niin, että atomit saavat pintaa sitovaa energiaa korkeamman energian, nämä atomit poistuvat kohdeatomin pinnasta ja joutuvat tyhjiöön. Nyt enemmän tutkimusta sputterointipinnoitteesta on magnetronisputterointipinnoite. Magnetronisputteroinnin tarkoituksena on suorittaa nopeaa sputterointia matalassa paineessa, ja kaasun ionisaationopeutta on lisättävä tehokkaasti. Tuomalla magneettikenttä kohdekatodin pinnalle magneettikenttää käytetään varautuneiden hiukkasten hillitsemiseen plasman tiheyden lisäämiseksi sputterointinopeuden lisäämiseksi. Käytä ulkoista magneettikenttää elektronien sieppaamiseen, elektronien liikeradan laajentamiseen ja rajoittamiseen, ionisaationopeuden lisäämiseen ja pinnoitusnopeuden lisäämiseen.

4. Uusi liuosgeelimenetelmä

Uusi sooli-geeli -menetelmä on lisätä sooliin valmistettua jauhetta (sama koostumus kuin soolilla) ja sitten lisätä liuokseen tiettyä orgaanista liuotinta dispergointiaineena ja muita orgaanisia liuottimia liuoksen viskositeetin ja pH:n säätämiseksi. Jatkuva ultraäänivärähtely dispergoi nanojauheen liuokseen ja saa lopuksi tasaisen jauheliuoksen ja levittää tarvittavan kalvon substraatille sooli-geelimenetelmällä. Tässä saostusprosessissa jauhehiukkaset toimivat siemenkiteinä.

Tällä tavalla voidaan valmistaa paksu kalvo, jonka paksuus on kymmeniä mikroneja. Sillä vältetään perinteisellä sooli-geelimenetelmällä valmistetun paksun kalvon aiheuttama halkeilu tai jopa kalvon irtoaminen. Valmistetut paksukalvokomponentit ovat tasaisesti sekoitettuja ja erittäin puhtaita, eivätkä vaadi korkean lämpötilan sintrausta. Tuloksena oleva paksu kalvo on yhteensopiva puolijohteiden valmistusprosessin kanssa. Ja laitteet ovat yksinkertaisia, kustannukset ovat alhaiset ja kalvon koostumusta voidaan hallita, joten tätä menetelmää käytetään tällä hetkellä useammin.

5. Hydroterminen menetelmä

Hydroterminen menetelmä tarkoittaa vesiliuoksen käyttöä reaktioväliaineena erityisesti valmistetussa suljetussa reaktioastiassa (autoklaavissa). Reaktioastiaa kuumentamalla syntyy korkean lämpötilan ja korkeapaineinen reaktioympäristö, jolloin normaalisti liukenemattomat tai liukenemattomat aineet liukenevat ja kiteytyvät uudelleen. Tällä menetelmällä valmistettu paksu kalvo sekoitetaan stoikiometrisesti valmistettavan paksukalvokomponentin sisältämiä yhdisteitä kyllästetyksi liuokseksi tietyssä alkalisessa väliaineessa ja säädetään pH-arvoa. Sen jälkeen liuos siirretään autoklaaviin ja substraatille voidaan kasvattaa tietty paksuus tietyn reaktioajan jälkeen.

Paksujen kalvojen hydrotermisellä valmistuksella on monia etuja:

① Prosessi valmistuu nestefaasissa kerralla, eikä kiteytyksen jälkeistä lämpökäsittelyä tarvita, jolloin vältetään viat, kuten halkeilu, rakeiden karkeneminen, reaktio substraatin tai ilmakehän kanssa, joita voi aiheutua lämpökäsittelyprosessin aikana;

②Epäorgaanisia materiaaleja käytetään esiasteina ja vettä käytetään reaktioväliaineena. Raaka-aineet ovat helposti saatavilla, mikä vähentää kalvon valmistelun kustannuksia ja saa vähemmän ympäristöä;

③ Laite on yksinkertainen ja hydrotermisen käsittelyn lämpötila on alhainen, mikä estää kalvon ja alustan komponenttien diffuusion ennen ja jälkeen hydrotermisen käsittelyn. Tuloksena olevalla kalvolla on korkea puhtaus ja hyvä tasaisuus. Lisäksi, kun tätä menetelmää käytetään paksujen kalvojen valmistukseen, paksuja kalvoja voidaan kerrostaa erilaisten monimutkaisten muotojen substraattipinnoille. Tuloksena olevilla paksuilla kalvoilla on tiettyjä etuja spontaani polarisaatio, alhainen hystereesi ja hyvä sidos alustoihin. . Tällä hetkellä tämä menetelmä on herättänyt yhä enemmän huomiota.

6. Elektroforeettinen pinnoitusmenetelmä

Elektroforeettinen saostus (EPD) tarkoittaa valmistetun hienon jauheen dispergoimista, jonka koostumus on sama kuin suspensiossa olevan paksun kalvon, suspension muodostamiseksi eri konsentraatioilla ja suspension pH-arvon säätämistä happo-emäsliuoksella. Stabiili suspensio saadaan ultraäänidispersiolla ja magneettisekoituksella, ja jatkuvassa paineessa varautuneet hiukkaset liikkuvat suunnassa sähkökentän vaikutuksesta, jolloin muodostuu paksu kalvo, jolla on tietty paksuus. Tällä menetelmällä valmistetun paksun kalvon etuna on yksinkertainen laitteisto, nopea kalvonmuodostus, pinnoitettujen osien rajoittamaton muoto, tasainen ja säädettävä kalvon paksuus jne. Tuloksena oleva paksu kalvo voi saavuttaa kymmeniä mikroneja, ja koostumus on tasainen ja tiheä.