Piezoelektrični keramički materijali su funkcionalni materijali koji ostvaruju pretvorbu između mehaničke energije i električne energije (1)

Piezoelektrični materijali su funkcionalni materijali koji ostvaruju pretvorbu između mehaničke energije i električne energije. Njegov razvoj ima dugu povijest. Od otkrića piezoelektričnog učinka na kvarcnim kristalima od strane braće CURIE 1880-ih, piezoelektrični materijali su privukli široku pozornost. S produbljivanjem istraživanja pojavio se veliki broj piezoelektričnih materijala, kao što su piezoelektrični funkcionalni keramički materijali, piezo film, piezoelektrični kompozitni materijali, itd. Ovi materijali imaju vrlo širok raspon upotrebe i igraju važnu ulogu u uređajima za funkcionalnu pretvorbu kao što su elektricitet, magnetizam, zvuk, svjetlost, toplina, vlaga, plin i sila.

PVDF piezoelektrični film
PVDF piezoelektrični film je poliviniliden fluoridni piezoelektrični film. Japanci su 1969. godine otkrili polimerni materijal poliviniliden fluorid (polyvinyliden fluoride polymer) nazvan PVDF, koji ima vrlo jak piezoelektrični učinak. PVDF film uglavnom ima dvije vrste piezo kristala, naime, tip α i tip β. Piezo kristal tipa α nema piezoelektricitet, ali nakon što se PVDF film smota i razvuče, izvorni kristal tipa α u filmu postaje kristalna struktura tipa β. Kada se rastegnuti i polarizirani PVDF film podvrgne vanjskoj sili ili deformaciji u određenom smjeru, polarizirana površina ultrazvučni pretvarač razine će generirati određeni električni naboj, odnosno piezoelektrični učinak.

U usporedbi s piezoelektričnom keramikom i piezoelektričnim kristalima, piezoelektrični filmovi imaju sljedeće prednosti:

(1) Lagana težina, njegova gustoća je samo četvrtina uobičajeno korištene piezoelektrične keramike PZT, zalijepljena na mjerni objekt nema gotovo nikakvog utjecaja na izvornu strukturu, visoka elastična fleksibilnost, može se obraditi u određeni oblik. Mjerna površina je potpuno opremljena, s visokom mehaničkom čvrstoćom i otpornošću na udarce;
(2) Izlaz visokog napona, pod istim uvjetima naprezanja, izlazni napon je 10 puta veći od piezoelektrične keramike;
(3) Visoka dielektrična čvrstoća koja može izdržati učinak jakog električnog polja (75 V / um), u ovom trenutku većina piezoelektrične keramike je depolarizirana;
(4) akustična impedancija je niska, samo jedna desetina piezoelektrične keramike PZT, blizu vode, ljudskog tkiva i viskoznog tijela;
(5) Frekvencijski odziv je širok, a elektromehanički učinak može se pretvoriti s 10-3Hz na 109, a način vibracije je jednostavan.

Svojstva piezo filma
1. Dielektrična konstanta
Iako je piezoelektrični film monokristalni film ili polikristalni film s preferiranom orijentacijom, atomsko pakiranje u njemu nije tako gusto i uređeno kao u kristalu, tako da se vrijednost dielektrične konstante piezoelektričnog filma razlikuje od vrijednosti kristala. Uz to, često postoje velika zaostala unutarnja naprezanja u filmu i razlozi za mjerenje, koji također uzrokuju da se vrijednost dielektrične konstante filma razlikuje od odgovarajuće vrijednosti kristala.
Postojeća istraživanja su pokazala da dielektrična konstanta piezoelektričnog filma nije povezana samo s orijentacijom kristala, već ovisi i o uvjetima ispitivanja. Dielektrična konstanta piezoelektričnog filma ima znatnu disperziju. Osim razlike u unutarnjem naprezanju i uvjetima ispitivanja, općenito se vjeruje da se razlika između omjera kemijskog sastava i debljine filma sastava filma smanjuje s debljinom filma. Tanak i mali. Osim toga, dielektrična konstanta piezoelektričnog tankog filma također će se značajno promijeniti s temperaturom i frekvencijom.

2. Volumni otpor
Iz perspektive smanjenja dielektričnog gubitka i frekvencije opuštanja piezoelektričnog filma, očekuje se da ima vrlo visok otpor, najmanje ρv≥108Ω • cm. Otpor AlN filma je 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ω · cm, što je mnogo više od 108 Ω · cm, tako da je u tom pogledu AlN vrlo izvrstan film. Osim toga, promjena električne vodljivosti AlN piezoelektričnih filmova s ​​temperaturom također slijedi zakon 1nσ∝1 / T. Niti jedan od kristala s piezoelektričnim učinkom nema središte simetrije, pa je njihova pokretljivost elektrona također anizotropna, a električna vodljivost također različita. Vodljivost AlN piezoelektričnog filma duž smjera C-osi razlikuje se od smjera okomitog na C-os. Prvi je otprilike 1 do 2 reda veličine manji.

3. Tangens kuta gubitka.
Tangens dielektričnog gubitka AlN piezoelektričnog filma je tanδ = 0,003 ～ 0,005, a tanδ ZnO filma je veći, što je 0,005 ～ 0,01. Razlog zašto je tanδ ovih filmova tako velik je taj što osim procesa vodljivosti, ovi filmovi također imaju značajan fenomen relaksacije. Slično dielektričnom tankom filmu, tan δ piezoelektričnog debelog filma postupno se povećava s povećanjem temperature i frekvencije te povećanjem vlažnosti. Osim toga, kako se debljina filma smanjuje, tan δ ima tendenciju povećanja. Očito je povećanje tan δ s temperaturom posljedica povećanja vodljivosti i povećanja relaksora. Povećava se s učestalošću jer se povećava broj vremena opuštanja u vremenu.

4. Snaga proboja
Budući da jakost probojnog polja dielektrika pripada parametru čvrstoće, a razni nedostaci su neizbježni u filmu, jakost probojnog polja piezoelektričnog filma ima značajnu disperziju; teorija dielektričnog proboja .Jačina probojnog polja trebala bi postupno rasti kako se debljina filma smanjuje. Ali zapravo, budući da film sadrži mnogo nedostataka, učinak nedostatka je značajniji što je debljina manja, pa kad se debljina smanji na određenu vrijednost, jakost polja proboja filma postaje naglo manja. Na jakost probojnog polja filma, osim razloga samog filma, utječe i rub elektrode tijekom ispitivanja. Budući da što je film deblji, električno polje na rubu elektrode je neravnomjernije, pa kako se debljina filma povećava, jakost njegovog probojnog polja postupno opada. Uz gore navedene čimbenike, jakost probojnog polja dielektričnog filma također ovisi o strukturi filma. Za piezoelektrični film jakost probojnog polja također ovisi o smjeru električnog polja, odnosno također je anizotropna u jakosti probojnog polja. Zbog postojanja granica zrna u polikristalnom filmu, njegova jakost probojnog polja niža je nego kod amorfnog filma; iz sličnih razloga, jakost probojnog polja preferirano orijentiranog piezoelektričnog filma u smjeru orijentacije zrna veća je od one u okomitom smjeru. Jakost probojnog polja je niža.

Poput drugih dielektričnih filmova, jakost probojnog polja piezoelektričnog filma također ovisi o nekim vanjskim čimbenicima, kao što su valni oblik napona, frekvencija, temperatura i elektrode. Budući da je jakost probojnog polja piezoelektričnog filma povezana s mnogim čimbenicima, za isti film, vrijednosti jakosti probojnog polja navedene u relevantnoj literaturi često su nedosljedne, pa čak i jako variraju. Na primjer, jakost polja proboja ZnO filma je 0,01 ~ 0,4 MV/cm, AlN filma je 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Izvedba masovnog akustičnog vala
Najvažniji karakteristični parametri piezoelektričnih pretvarača masovnog akustičnog vala su frekvencija rezonancije f0, akustična impedancija Za i koeficijent elektromehaničke sprege K, tako da su brzina zvuka υ i temperaturni koeficijent piezoelektričnog filma, akustična impedancija i koeficijent elektromehaničke sprege posebno strogi. Ova svojstva filma ne ovise samo o elastičnosti, dielektričnim, piezoelektričnim i toplinskim svojstvima kristalnih zrna u filmu, već su također usko povezana sa strukturom piezoelektričnog filma kao što je stupanj kompaktnosti zrna i stupanj željene orijentacije. U piezoelektričnom filmu, zbog nedostataka i napetosti kristalnog zrna, to nije savršen monokristal, tako da se fizička konstanta filma malo razlikuje od kristalne vrijednosti. Budući da je struktura piezoelektričnog filma usko povezana s postupkom pripreme, čak i za isti piezoelektrični film, vrijednosti performansi navedene u različitim literaturama često su nedosljedne. Među svim anorganskim piezoelektričnim filmovima od obojenih metala, AlN film ima veliku konstantu elastičnosti, ali nisku gustoću i najveću brzinu zvuka. Stoga je film najprikladniji za UHF i mikrovalne uređaje.

6. Izvedba površinskog akustičnog vala
Kada se površinski akustični val širi u piezoelektrični cilindrični pretvarač , njegova amplituda pomaka čestica brzo se smanjuje kako se udaljenost od površine medija povećava, tako da je energija površinskog akustičnog vala uglavnom koncentrirana u sljedeće dvije valne duljine na površini. Izvedba površinskog akustičnog vala materijala filma može se izraziti sljedećom funkcionalnom formulom: izvedba površinskog akustičnog vala = F (sirovina, podloga, struktura filma, način vala, smjer širenja, interdigitalni oblik elektrode, umnožak valnog broja debljine) Tablica parametara izvedbe zvučnog vala ne može se predstaviti jednom vrijednošću. Drugo svojstvo akustičnog vala piezoelektričnih filmova je gubitak prijenosa. Budući da se piezoelektrični filmovi često koriste kao mediji za akustični prijenos u uređajima s površinskim valovima, izvor gubitka prijenosa uglavnom je raspršenje akustičnih valova u piezoelektričnom filmu i supstratu.

Metoda pripreme piezoelektričnog filma
Metode pripreme piezoelektričnih tankih filmova uglavnom uključuju tradicionalne metode vakuumskog premazivanja, uključujući vakuumsko oblaganje isparavanjem, raspršivanje i premaz kemijskim taloženjem debljine 0-18 μm, te novu sol-gel metodu, hidrotermalnu metodu i metodu elektroforetskog taloženja 10 ～ 100 μm piezoelektrični debeli sloj materijala.
Debeli piezoelektrični film obično se odnosi na piezoelektrični film debljine od 10 do 100 μm. U usporedbi s tankim filmom, na njegova piezoelektrična i feroelektrična svojstva manje utječu sučelje i površina; zbog svoje relativno velike debljine, ova vrsta PZT materijala također može generirati veliku pogonsku silu i ima širu radnu frekvenciju; u usporedbi s rasutim materijalom, njegov radni napon je nizak, učestalost upotrebe je visoka i kompatibilan je s poluvodičkim procesima.

1. Vakuumski premaz isparavanjem.
Vakuumski premaz isparavanjem je isparavanje tvari zagrijavanjem i taloženje na čvrstu površinu, što se naziva premaz isparavanjem. Ovu metodu prvi je predložio M. Faraday 1857., a modernizacija je postala jedna od često korištenih tehnologija premazivanja.
Vakuumska evaporacijska prevlaka uključuje sljedeća tri osnovna procesa:
(1) Proces zagrijavanja i isparavanja, uključujući i rubni proces prelaska iz kondenzirane faze u plinovitu fazu (kruta faza ili tekuća faza → plinovita faza). Svaka tvar koja isparava ima različit tlak zasićene pare pri različitim temperaturama. Pri isparavanju spoja njegovi sastojci reagiraju, a neki od njih ulaze u prostor za isparavanje u plinovitom stanju ili pari.
(2) Prijenos isparenih atoma ili molekula između izvora isparavanja i supstrata i proces letenja ovih primjera u atmosferi okoline. Broj sudara s molekulama zaostalog plina u vakuumskoj komori tijekom leta ovisi o prosječnom slobodnom putu isparenih atoma i udaljenosti od izvora isparavanja do podloge, koja se često naziva udaljenost izvor-baza.
(3) Proces taloženja isparenih atoma ili molekula na površini supstrata, te kondenzacija pare, nukleacija, rast jezgre i stvaranje kontinuiranog filma. Budući da je temperatura supstrata puno niža od temperature izvora isparavanja, proces faznog prijelaza molekula naslaga na površini supstrata odvijat će se izravno iz plinovite faze u krutu fazu.
Kada tvar isparava, važno je znati tlak zasićene pare, brzinu isparavanja i prosječni slobodni put isparenih molekula. Postoje tri vrste izvora isparavanja.

2. Vakuumsko prskanje.
Primjer s kinetičkom energijom većom od nekoliko stotina elektron volti ili ionski snop bombardira krutu površinu, tako da atomi blizu krute površine dobivaju dio energije upadnih čestica i napuštaju krutinu da uđu u vakuum. Taj se fenomen naziva raspršivanje. Fenomen raspršivanja uključuje složeni proces raspršenja i popraćen je različitim mehanizmima prijenosa energije. Općenito se vjeruje da je ovaj proces uglavnom takozvani kaskadni proces sudara, to jest, upadni ioni se elastično sudaraju s ciljnim atomima, tako da ciljni atomi dobiju dovoljno energije da prevladaju potencijalnu barijeru formiranu od okolnih atoma i napuste prvobitni položaj, a daljnji i obližnji atomi se sudaraju. Kada ova kaskada sudara dosegne površinu ciljnog atoma tako da atomi dobiju energiju višu od površinske energije vezanja, ti će atomi napustiti površinu ciljnog atoma i ući u vakuum. Sada se više istraživanja o presvlačenju raspršivanjem odnosi na nanošenje magnetronskim raspršivanjem. Magnetronsko raspršivanje je za izvođenje raspršivanja velikom brzinom pod niskim tlakom, a potrebno je učinkovito povećati brzinu ionizacije plina. Uvođenjem magnetskog polja na površinu ciljane katode, magnetsko polje se koristi za obuzdavanje nabijenih čestica kako bi se povećala gustoća plazme i povećala brzina raspršivanja. Koristite vanjsko magnetsko polje za hvatanje elektrona, produžite i ograničite putanju kretanja elektrona, povećajte stopu ionizacije i povećajte stopu premazivanja.

3. Prevlaka kemijskim taloženjem iz pare
Kemijsko taloženje iz pare je metoda rasta kemijske pare, koja se naziva CVD (Chemical Vapor Deposition) tehnologija. U ovoj metodi, elementarni plin koji sadrži jedan ili nekoliko spojeva koji čine tankoslojni element dovodi se do supstrata, a potrebni tanki film se formira plinskom fazom ili kemijskom reakcijom na površini supstrata korištenjem izvora energije kao što su grijanje, plazma, ultraljubičasto svjetlo ili čak lasersko svjetlo. Budući da CVD metoda koristi različite plinske reakcije za pripremu tankog filma, sastav tankog filma može se proizvoljno kontrolirati, tako da se mogu proizvesti mnogi novi filmski materijali. Kada se CVD metoda koristi za pripremu tankog filma, njegova temperatura rasta znatno je niža od tališta sastavnog materijala tankog filma, dobiveni sloj filma ima dobru ujednačenost, ima stepenastu pokrivenost i prikladan je za podloge složenih oblika. Zbog njegovih prednosti kao što su visoka brzina taloženja, malo rupica, visoka čistoća, kompaktnost i mali broj defekata koji stvaraju kristale, raspon primjene kemijskog taloženja iz pare je vrlo širok. CVD metoda može se koristiti za pripremu piezoelektričnih debelih slojeva materijala s gustom, glatkom površinom, debljinom od 0 ～ 18 μm i izvrsnim performansama. Stoga se u pripremi piezoelektričnih debelih filmova CVD metoda brzo razvila i prihvatili su je mnogi istraživači.

4. Nova metoda otopine gela
Nova sol-gel metoda je dodavanje pripremljenog praha (istog sastava kao sol) u sol, zatim dodavanje određenog organskog otapala u otopinu kao disperzant, dodavanje drugih organskih otapala za podešavanje viskoznosti i pH otopine, i na kraju kontinuirana ultrazvučna vibracija ne raspršuje nanopraškove u otopini, i na kraju se dobiva jednolika otopina praha. Potreban film se nanosi na podlogu sol-gel metodom. U ovom procesu taloženja, čestice praha djeluju kao klice kristala.
Na taj način može se proizvesti debeli film debljine nekoliko desetaka mikrona. Izbjegava problem pucanja ili čak odlijevanja filma uzrokovanog debelim filmom pripremljenim tradicionalnom sol-gel metodom. Pripremljene komponente debelog filma jednoliko su izmiješane i visoke čistoće te ne zahtijevaju sinteriranje na visokoj temperaturi, a dobiveni debeli film je kompatibilan s postupkom pripreme poluvodiča. A oprema je jednostavna, trošak je nizak, a sastav membrane se može kontrolirati, pa se ova metoda trenutno češće koristi.

5. Hidrotermalna metoda
Hidrotermalna metoda odnosi se na korištenje vodene otopine kao reakcijskog medija u posebno izrađenoj zatvorenoj reakcijskoj posudi (autoklavu). Zagrijavanjem reakcijske posude stvara se reakcijsko okruženje visoke temperature i visokog tlaka, tako da se normalno netopljive ili netopljive tvari otope i rekristaliziraju. Debeli film pripremljen ovom metodom sastoji se od stehiometrijskog miješanja nekih spojeva u komponenti debelog filma koji se priprema u zasićenu otopinu u određenom alkalnom mediju i podešavanje PH vrijednosti. Nakon toga otopina se prebacuje u autoklav, te se nakon određenog vremena reakcije na podlozi može narasti određena debljina.