Piezoelektrični materijali su funkcionalni materijali koji ostvaruju pretvorbu između mehaničke energije i električne energije(2)

Metoda pripreme piezoelektričnog filma

Metode pripreme piezoelektričnih tankih filmova uglavnom su tradicionalne metode vakuumskog premazivanja, uključujući premaz vakuumskim isparavanjem, premaz raspršivanjem, premaz kemijskim taloženjem iz pare priprema se u debljini od 0 ~ 18 μm, nova sol-gel metoda, hidrotermalna metoda, metoda elektroforetskog taloženja priprema se 10-100 μm piezoelektrični debeli filmski materijal.

Debeli piezoelektrični film obično se odnosi na piezoelektrični film  piezoelektrični hemisferni pretvarač  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 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.

Premazivanje vakuumskim isparavanjem uključuje sljedeća tri osnovna procesa:

(1) Proces zagrijavanja i isparavanja uključujući 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 piezo keramički piezoelektrični pretvarač pojavit 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.

①Otporni izvor grijanja: izrađen od vatrostalnih metala kao što su volfram i tantal izrađen od brodske folije ili filamenta, koji prolazi struju za zagrijavanje materijala za isparavanje iznad njega ili postavljen u lončić (otporni izvor grijanja se uglavnom koristi za isparavanje Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni i drugih materijala.

② Visokofrekventni indukcijski izvor grijanja: zagrijavanje lončića i materijala koji isparava visokofrekventnom indukcijskom strujom.

③ Izvor grijanja snopom elektrona: prikladan za materijale s visokom temperaturom isparavanja (ne manje od 2000), to jest, bombardirajte materijal snopom elektrona kako bi ispario.

Kako bi se odložio monokristalni film visoke čistoće, može se koristiti epitaksija molekularnim snopom. Mlazna peć je opremljena izvorom molekularne zrake. Kada se zagrije na određenu temperaturu pod ultra-visokim vakuumom,  elementi pretvornika piezo diska  u peći usmjereni su prema podlozi kao zraka molekularnog toka. Supstrat se zagrijava do određene temperature, molekule nataložene na supstratu mogu migrirati, a kristali se uzgajaju prema redoslijedu rešetke supstrata. Metodom epitaksije molekularnim snopom može se dobiti monokristalni film spoja visoke čistoće sa potrebnim stehiometrijskim omjerom, a film raste najsporije. Brzina se može kontrolirati na 1 sloj/sekundi. Kontroliranjem pregrade mogu se precizno izraditi tanki filmovi od jednog piezo kristala željenog sastava i strukture. Epitaksija molekularnim snopom naširoko se koristi za proizvodnju raznih optičkih integriranih uređaja i raznih filmova sa superrešetkastom strukturom

2. Premaz vakuumskim raspršivanjem

Primjer s kinetičkom energijom većom od nekoliko stotina elektronvolti ili ionski snop bombardira krutu površinu, tako da atomi blizu krute površine dobivaju dio energije upadnih čestica i napuštaju krutinu kako bi ušli 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, odnosno da se upadni ioni elastično sudaraju s ciljnim atomima, tako da ciljni atomi dobiju dovoljno energije da prevladaju potencijalnu barijeru koju čine okolni atomi 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 više istraživanja o presvlačenju raspršivanjem je magnetronsko raspršivanje. Magnetronsko raspršivanje je za izvođenje raspršivanja velikom brzinom pod niskim tlakom, a potrebno je učinkovito povećati brzinu ionizacije plina. Uvođenjem magnetskog polja na ciljnu površinu katode, magnetsko polje se koristi za obuzdavanje nabijenih čestica kako bi se povećala gustoća plazme i povećala brzina raspršivanja. Upotrijebite vanjsko magnetsko polje za hvatanje elektrona, produžite i ograničite putanju kretanja elektrona, povećajte stopu ionizacije i povećajte stopu premazivanja.

4. Nova gel metoda otopine

Nova sol-gel metoda je dodavanje pripremljenog praha (isti sastav kao sol) u sol, a zatim dodavanje određenog organskog otapala u otopinu kao disperzant, te dodavanje drugih organskih otapala za podešavanje viskoznosti i pH otopine. Kontinuiranom ultrazvučnom vibracijom nano-prah se raspršuje u otopini, te se na kraju dobije jednolična otopina praha, te sol-gel metodom nanosi traženi film na podlogu. 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 sloja su jednolično izmiješane i visoke čistoće te ne zahtijevaju sinteriranje na visokim temperaturama. Rezultirajući debeli film kompatibilan je 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.

Hidrotermalna priprema debelih filmova ima mnoge prednosti:

① Proces je dovršen u tekućoj fazi odjednom i nije potrebna toplinska obrada nakon kristalizacije, čime se izbjegavaju nedostaci kao što su pukotine, grublje zrna, reakcija sa supstratom ili atmosferom koji mogu biti uzrokovani tijekom procesa toplinske obrade;

②Anorganski materijali koriste se kao prekursori, a voda se koristi kao reakcijski medij. Sirovine su lako dostupne, što smanjuje troškove pripreme filma i manje zagađuje okoliš;

③ Oprema je jednostavna, a temperatura hidrotermalne obrade je niska, čime se izbjegava međusobna difuzija filma i komponenti supstrata prije i poslije hidrotermalne obrade. Dobiveni film ima visoku čistoću i dobru ujednačenost. Osim toga, kada se ova metoda koristi za pripremu debelih filmova, debeli filmovi mogu se nanositi na površine supstrata različitih složenih oblika. Dobiveni debeli filmovi imaju određene prednosti spontane polarizacije, niske histereze i dobrog povezivanja sa supstratima. . Trenutno ova metoda privlači sve više pozornosti.

6. Metoda elektroforetskog taloženja

Elektroforetsko taloženje (EPD) odnosi se na raspršivanje pripremljenog finog praha istog sastava kao i debeli film u suspenziji kako bi se dobila suspenzija različitih koncentracija i podešavanje pH vrijednosti suspenzije kiselinsko-baznom otopinom. Ultrazvučnom disperzijom i magnetskim miješanjem dobiva se stabilna suspenzija, a pod stalnim pritiskom, nabijene čestice se pod djelovanjem električnog polja kreću usmjereno, čime se dobiva debeli film određene debljine. Debeli film pripremljen ovom metodom ima prednosti jednostavne opreme, brzog stvaranja filma, neograničenog oblika pločastih dijelova, jednolike i kontrolirane debljine filma, itd. Rezultirajući debeli film može doseći desetke mikrona, a sastav je ujednačen i gust.