Bahan keramik piezoelektrik merupakan bahan fungsional yang mewujudkan konversi energi mekanik dan energi listrik (1)

Bahan piezoelektrik merupakan bahan fungsional yang mewujudkan konversi antara energi mekanik dan energi listrik. Perkembangannya mempunyai sejarah yang panjang. Sejak penemuan efek piezoelektrik pada kristal kuarsa oleh CURIE bersaudara pada tahun 1880an, bahan piezoelektrik telah menarik perhatian luas. Dengan pendalaman penelitian, sejumlah besar bahan piezoelektrik, seperti bahan keramik fungsional piezoelektrik, film piezo, bahan komposit piezoelektrik, dll. Bahan-bahan ini memiliki kegunaan yang sangat luas, dan memainkan peran penting dalam perangkat konversi fungsional seperti listrik, magnet, suara, cahaya, panas, kelembaban, gas, dan gaya.

Film piezoelektrik PVDF
Film piezoelektrik PVDF adalah film piezoelektrik polivinilidena fluorida. Pada tahun 1969, orang Jepang menemukan bahan polimer polivinilidena fluorida (polivinilidena fluorida polimer) yang disebut PVDF, yang memiliki efek piezoelektrik yang sangat kuat. Film PVDF terutama memiliki dua tipe kristal piezo, yaitu tipe α dan tipe β. Kristal piezo tipe α tidak memiliki piezoelektrik, tetapi setelah film PVDF digulung dan diregangkan, kristal tipe α asli dalam film tersebut menjadi struktur kristal tipe β. Ketika film PVDF yang diregangkan dan terpolarisasi terkena gaya eksternal atau deformasi dalam arah tertentu, permukaan terpolarisasi transduser tingkat ultrasonik akan menghasilkan muatan listrik tertentu, yaitu efek piezoelektrik.

Dibandingkan dengan keramik piezoelektrik dan kristal piezoelektrik, film piezoelektrik memiliki keunggulan sebagai berikut:

(1) Ringan, kepadatannya hanya seperempat dari PZT keramik piezoelektrik yang umum digunakan, ditempelkan pada benda ukur hampir tidak berpengaruh pada struktur aslinya, fleksibilitas elastis tinggi, dapat diolah menjadi bentuk tertentu Permukaan pengukuran dipasang sepenuhnya, dengan kekuatan mekanik yang tinggi dan ketahanan benturan;
(2) Keluaran tegangan tinggi, dalam kondisi tegangan yang sama, tegangan keluaran 10 kali lebih tinggi dari keramik piezoelektrik;
(3) Kekuatan dielektrik tinggi yang mampu menahan pengaruh medan listrik kuat (75V/um), saat ini sebagian besar keramik piezoelektrik telah terdepolarisasi;
(4) Impedansi akustiknya rendah, hanya sepersepuluh dari PZT keramik piezoelektrik, dekat dengan air, jaringan manusia, dan tubuh kental;
(5) Respon frekuensinya lebar, dan efek elektromekanis dapat diubah dari 10-3Hz menjadi 109, dan mode getarannya sederhana.

Sifat-sifat film piezo
1. Konstanta dielektrik
Meskipun film piezoelektrik merupakan film kristal tunggal atau film polikristalin dengan orientasi yang disukai, namun kandungan atom di dalamnya tidak sepadat dan teratur seperti pada kristal, sehingga nilai konstanta dielektrik film piezoelektrik berbeda dengan nilai kristal. Selain itu, seringkali terdapat tegangan internal sisa yang besar pada film dan alasan pengukurannya, yang juga menyebabkan nilai konstanta dielektrik film berbeda dari nilai kristal yang sesuai.
Penelitian yang ada menunjukkan bahwa konstanta dielektrik film piezoelektrik tidak hanya berhubungan dengan orientasi kristal, tetapi juga tergantung pada kondisi pengujian. Konstanta dielektrik film piezoelektrik memiliki dispersi yang cukup besar. Selain perbedaan tegangan internal dan kondisi pengujian, perbedaan antara rasio komposisi kimia dan ketebalan film dari komposisi film umumnya diyakini menurun seiring dengan ketebalan film. Tipis dan kecil. Selain itu, konstanta dielektrik film tipis piezoelektrik juga akan berubah secara signifikan terhadap suhu dan frekuensi.

2. Resistivitas volume
Dari sudut pandang pengurangan kerugian dielektrik dan frekuensi relaksasi film piezoelektrik, diharapkan memiliki resistivitas yang sangat tinggi, setidaknya ρv≥108Ω • cm. Resistansi film AlN adalah 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, yang jauh lebih tinggi dari 108Ω · cm, jadi dalam hal ini, AlN adalah film yang sangat bagus. Selain itu, perubahan konduktivitas listrik film piezoelektrik AlN terhadap suhu juga mengikuti hukum 1nσ∝1/T. Tidak ada satu pun kristal dengan efek piezoelektrik yang memiliki pusat simetri, sehingga mobilitas elektronnya juga anisotropik dan konduktivitas listriknya juga berbeda. Konduktivitas film piezoelektrik AlN sepanjang arah sumbu C berbeda dengan arah tegak lurus sumbu C. Yang pertama berukuran sekitar 1 hingga 2 kali lipat lebih kecil.

3. Garis singgung sudut rugi
Garis singgung rugi-rugi dielektrik film piezoelektrik AlN adalah tanδ = 0,003 ～ 0,005, dan tanδ film ZnO lebih besar yaitu 0,005 ～ 0,01. Alasan mengapa tanδ pada film-film ini begitu besar adalah karena selain proses konduktansi, film-film ini juga mempunyai fenomena relaksasi yang signifikan. Mirip dengan film tipis dielektrik, tan δ dari film tebal piezoelektrik meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan suhu dan frekuensi serta peningkatan kelembaban. Selain itu, seiring dengan berkurangnya ketebalan film, tan δ cenderung meningkat. Jelasnya, peningkatan tan δ seiring dengan peningkatan suhu disebabkan oleh peningkatan konduktansi dan peningkatan relaksor. Hal ini meningkat seiring dengan frekuensi karena jumlah waktu relaksasi dalam waktu meningkat.

4. Kekuatan kerusakan
Karena kekuatan medan kerusakan dielektrik termasuk dalam parameter kekuatan, dan berbagai cacat tidak dapat dihindari dalam film, kekuatan medan kerusakan film piezoelektrik memiliki dispersi yang cukup besar; teori kerusakan dielektrik. Kekuatan medan kerusakan akan meningkat secara bertahap seiring dengan berkurangnya ketebalan film. Namun nyatanya, karena film mengandung banyak cacat, maka pengaruh cacat tersebut semakin besar seiring dengan semakin kecilnya ketebalan, sehingga ketika ketebalan dikurangi hingga nilai tertentu, kekuatan medan tembus film menjadi jauh lebih kecil. Kekuatan medan tembus film, selain alasan film itu sendiri, juga dipengaruhi oleh tepi elektroda selama pengujian. Karena semakin tebal film, semakin tidak merata medan listrik di tepi elektroda, sehingga dengan meningkatnya ketebalan film, kekuatan medan tembusnya secara bertahap menurun. Selain faktor-faktor di atas, kekuatan medan tembus film dielektrik juga bergantung pada struktur film. Untuk film piezoelektrik, kuat medan tembus juga bergantung pada arah medan listrik, yaitu kuat medan tembus juga bersifat anisotropik. Karena adanya batas butir pada film polikristalin, kekuatan medan pecahnya lebih rendah dibandingkan film amorf; untuk alasan yang sama, kuat medan tembus film piezoelektrik yang berorientasi preferensial pada arah orientasi butir lebih tinggi dibandingkan pada arah tegak lurus. Kuat medan tembusnya lebih rendah.

Seperti film dielektrik lainnya, kekuatan medan tembus film piezoelektrik juga bergantung pada beberapa faktor eksternal, seperti bentuk gelombang tegangan, frekuensi, suhu, dan elektroda. Karena kekuatan medan tembus film piezoelektrik berkaitan dengan banyak faktor, untuk film yang sama, nilai kekuatan medan tembus yang dilaporkan dalam literatur terkait seringkali tidak konsisten, dan bahkan sangat bervariasi. Misalnya, kuat medan tembus film ZnO adalah 0,01 ~ 0,4MV / cm, film AlN adalah 0,5 ~ 6,0MV / cm.

5. Kinerja gelombang akustik massal
Parameter karakteristik yang paling penting dari transduser piezoelektrik gelombang akustik massal adalah frekuensi resonansi f0, impedansi akustik Za dan koefisien kopling elektromekanis K, sehingga kecepatan suara υ dan koefisien suhu film piezoelektrik, impedansi akustik dan koefisien kopling elektromekanis sangat ketat. Sifat-sifat film ini tidak hanya bergantung pada sifat elastisitas, dielektrik, piezoelektrik, dan termal butiran kristal dalam film, tetapi juga berkaitan erat dengan struktur film piezoelektrik seperti derajat kekompakan butiran dan derajat orientasi yang disukai. Dalam film piezoelektrik, karena cacat dan regangan butiran kristal, ini bukanlah kristal tunggal yang sempurna, sehingga konstanta fisik film sedikit berbeda dari nilai kristal. Karena struktur film piezoelektrik berkaitan erat dengan proses persiapan, bahkan untuk film piezoelektrik yang sama, nilai kinerja yang dilaporkan dalam berbagai literatur seringkali tidak konsisten. Di antara semua film piezoelektrik non-ferrous anorganik, film AlN memiliki konstanta elastis yang besar, namun densitas rendah, dan kecepatan suara tertinggi. Oleh karena itu, film ini paling cocok untuk perangkat UHF dan microwave.

6. Kinerja gelombang akustik permukaan
Ketika gelombang akustik permukaan merambat di transduser silinder piezoelektrik , amplitudo perpindahan partikelnya melemah dengan cepat seiring dengan bertambahnya jarak dari permukaan medium, sehingga energi gelombang akustik permukaan terutama terkonsentrasi pada dua panjang gelombang berikutnya di permukaan. Kinerja gelombang akustik permukaan bahan film dapat dinyatakan sebagai rumus fungsional berikut: kinerja gelombang akustik permukaan = F (bahan mentah, substrat, struktur film, mode gelombang, arah rambat, bentuk elektroda interdigital, produk nomor ketebalan gelombang) Tabel parameter kinerja gelombang suara tidak dapat diwakili oleh satu nilai. Sifat gelombang akustik lain dari film piezoelektrik adalah kehilangan transmisi. Karena film piezoelektrik sering digunakan sebagai media transmisi akustik pada perangkat gelombang permukaan, sumber kehilangan transmisi terutama adalah hamburan gelombang akustik pada film piezoelektrik dan substrat.

Metode pembuatan film piezoelektrik
Metode pembuatan film tipis piezoelektrik terutama mencakup metode pelapisan vakum tradisional, termasuk pelapisan penguapan vakum, pelapisan sputter, dan pelapisan deposisi uap kimia dengan ketebalan 0-18 μm, dan metode sol-gel baru, metode hidrotermal, dan metode deposisi elektroforesis bahan film tebal piezoelektrik 10 ～ 100μm.
Film piezoelektrik tebal biasanya mengacu pada film piezoelektrik dengan ketebalan 10 hingga 100 μm. Dibandingkan dengan film tipis, sifat piezoelektrik dan feroelektriknya tidak terlalu terpengaruh oleh antarmuka dan permukaan; karena ketebalannya yang relatif besar, material PZT jenis ini juga dapat menghasilkan tenaga penggerak yang besar, dan memiliki frekuensi operasi yang lebih luas; dibandingkan dengan material curah, tegangan operasinya rendah, frekuensi penggunaannya tinggi, dan kompatibel dengan proses semikonduktor.

1. Lapisan evaporasi vakum
Lapisan evaporasi vakum adalah menguapkan suatu zat dengan cara memanaskan dan menyimpannya pada permukaan padat, yang disebut lapisan evaporasi. Metode ini pertama kali dikemukakan oleh M. Faraday pada tahun 1857, dan modernisasi telah menjadi salah satu teknologi pelapisan yang umum digunakan.
Pelapisan evaporasi vakum meliputi tiga proses dasar berikut:
(1) Proses pemanasan dan evaporasi, termasuk proses tepi perubahan dari fasa kental ke fasa gas (fasa padat atau fasa cair → fasa gas). Setiap zat yang menguap mempunyai tekanan uap jenuh yang berbeda-beda pada suhu yang berbeda-beda. Ketika suatu senyawa diuapkan, komponen-komponennya bereaksi, dan beberapa di antaranya memasuki ruang penguapan dalam bentuk gas atau uap.
(2) Pengangkutan atom atau molekul yang menguap antara sumber penguapan dan substrat, dan proses terbangnya contoh-contoh tersebut di atmosfer sekitar. Jumlah tumbukan dengan molekul gas sisa dalam ruang vakum selama penerbangan bergantung pada jalur bebas rata-rata atom yang menguap dan jarak dari sumber penguapan ke substrat, sering disebut jarak sumber-basis.
(3) Proses pengendapan atom atau molekul yang menguap pada permukaan substrat, dan kondensasi uap, nukleasi, pertumbuhan inti, dan pembentukan lapisan film kontinu. Karena suhu substrat jauh lebih rendah daripada suhu sumber penguapan, maka proses transisi fasa molekul endapan pada permukaan substrat akan terjadi langsung dari fasa gas ke fasa padat.
Ketika suatu zat menguap, penting untuk mengetahui tekanan uap jenuhnya, laju penguapan, dan jalur bebas rata-rata molekul yang menguap. Ada tiga jenis sumber penguapan.

2. Lapisan sputtering vakum
Contoh dengan energi kinetik lebih dari beberapa ratus elektron volt atau berkas ion membombardir permukaan padat, sehingga atom-atom yang dekat dengan permukaan padat memperoleh sebagian energi partikel yang datang dan meninggalkan padatan memasuki ruang hampa. Fenomena ini disebut sputtering. Fenomena sputtering melibatkan proses hamburan yang kompleks dan disertai dengan berbagai mekanisme transfer energi. Secara umum diyakini bahwa proses ini terutama disebut proses kaskade tumbukan, yaitu ion-ion yang datang bertumbukan secara elastis dengan atom target, sehingga atom target memperoleh energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial yang dibentuk oleh atom-atom di sekitarnya dan meninggalkan posisi semula, dan atom-atom selanjutnya dan di dekatnya bertabrakan. Ketika rangkaian tumbukan ini mencapai permukaan atom target sehingga atom memperoleh energi yang lebih tinggi dari energi ikat permukaan, maka atom-atom tersebut akan meninggalkan permukaan atom target dan memasuki ruang hampa. Saat ini penelitian yang lebih banyak mengenai sputter coating adalah magnetron sputter coating. Sputtering magnetron adalah melakukan sputtering berkecepatan tinggi di bawah tekanan rendah, dan hal ini diperlukan untuk meningkatkan laju ionisasi gas secara efektif. Dengan memperkenalkan medan magnet pada permukaan katoda target, medan magnet digunakan untuk menahan partikel bermuatan guna meningkatkan kepadatan plasma guna meningkatkan laju sputtering. Gunakan medan magnet eksternal untuk menangkap elektron, memperluas dan membatasi jalur pergerakan elektron, meningkatkan laju ionisasi, dan meningkatkan laju pelapisan.

3. Pelapisan deposisi uap kimia
Deposisi uap kimia adalah metode penumbuhan uap kimia yang disebut dengan teknologi CVD (Chemical Vapor Deposition). Dalam metode ini, unsur gas yang mengandung satu atau beberapa senyawa yang membentuk unsur film tipis disuplai ke substrat, dan lapisan tipis yang diperlukan dibentuk melalui fase gas atau reaksi kimia pada permukaan substrat dengan menggunakan sumber energi seperti pemanas, plasma, sinar ultraviolet atau bahkan sinar laser. Karena metode CVD menggunakan berbagai reaksi gas untuk membuat film tipis, komposisi film tipis dapat dikontrol secara sewenang-wenang, sehingga banyak bahan film baru dapat diproduksi. Ketika metode CVD digunakan untuk membuat film tipis, suhu pertumbuhannya jauh lebih rendah daripada titik leleh bahan penyusun film tipis, lapisan film yang dihasilkan memiliki keseragaman yang baik, memiliki cakupan bertahap, dan cocok untuk substrat dengan bentuk yang kompleks. Karena kelebihannya seperti laju deposisi yang tinggi, sedikit lubang kecil, kemurnian tinggi, kekompakan, dan sedikit cacat pembentukan kristal, jangkauan penerapan deposisi uap kimia sangat luas. Metode CVD dapat digunakan untuk menyiapkan bahan film tebal piezoelektrik dengan permukaan padat dan halus, ketebalan 0 ～ 18μm dan kinerja yang sangat baik. Oleh karena itu, dalam pembuatan film tebal piezoelektrik, metode CVD berkembang pesat dan diadopsi oleh banyak peneliti.

4. Metode gel larutan baru
Metode sol-gel yang baru adalah dengan menambahkan bubuk yang telah disiapkan (komposisi yang sama dengan sol) ke dalam sol, kemudian menambahkan pelarut organik tertentu ke dalam larutan sebagai pendispersi, menambahkan pelarut organik lainnya untuk mengatur viskositas dan pH larutan, dan akhirnya getaran ultrasonik yang tidak terus menerus akan membubarkan bubuk nano dalam larutan, dan akhirnya memperoleh larutan bubuk yang seragam. Film yang diperlukan diendapkan pada substrat dengan metode sol-gel. Dalam proses pengendapan ini, partikel bubuk berperan sebagai kristal benih.
Dengan cara ini dapat dihasilkan film tebal dengan ketebalan puluhan mikron. Hal ini menghindari masalah retak atau bahkan pelepasan lapisan film yang disebabkan oleh lapisan tebal yang dibuat dengan metode sol-gel tradisional. Komponen film tebal yang disiapkan tercampur secara merata dan memiliki kemurnian tinggi, serta tidak memerlukan sintering suhu tinggi, dan film tebal yang dihasilkan kompatibel dengan proses preparasi semikonduktor. Peralatannya sederhana, biayanya murah, dan komposisi membrannya bisa dikontrol, sehingga metode ini saat ini lebih sering digunakan.

5. Metode hidrotermal
Metode hidrotermal mengacu pada penggunaan larutan berair sebagai media reaksi dalam bejana reaksi tertutup yang dibuat khusus (autoklaf). Dengan memanaskan bejana reaksi, lingkungan reaksi bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tercipta, sehingga zat yang biasanya tidak larut atau tidak larut dilarutkan dan direkristalisasi. Film tebal yang dibuat dengan metode ini adalah dengan mencampurkan secara stoikiometri beberapa senyawa dalam komponen film tebal untuk dibuat menjadi larutan jenuh dalam media basa tertentu dan mengatur nilai PH. Setelah itu, larutan dipindahkan ke dalam autoklaf, dan ketebalan tertentu dapat ditumbuhkan pada substrat setelah waktu reaksi tertentu.