Bahan piezoelektrik merupakan bahan fungsional yang mewujudkan konversi antara energi mekanik dan energi listrik (2)

Metode pembuatan film piezoelektrik

Metode pembuatan film tipis piezoelektrik sebagian besar adalah metode pelapisan vakum tradisional, termasuk pelapisan penguapan vakum, pelapisan sputtering, pelapisan deposisi uap kimia disiapkan dalam ketebalan 0 ~ 18μm, metode sol-gel baru, metode hidrotermal, metode deposisi elektroforesis disiapkan bahan film tebal piezoelektrik 10-100μm.

Film piezoelektrik tebal biasanya mengacu pada film piezoelektrik  transduser belahan 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 jenis ini juga dapat menghasilkan tenaga penggerak yang besar, dan memiliki frekuensi pengoperasian yang lebih luas; dibandingkan dengan material curah, tegangan operasinya rendah, frekuensi penggunaannya tinggi, dan kompatibel dengan proses semikonduktor.

1. Lapisan penguapan 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 penguapan vakum mencakup tiga proses dasar berikut:

(1) Proses pemanasan dan penguapan termasuk proses perpindahan dari fasa terkondensasi 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, proses transisi fase molekul endapan pada permukaan substrat transduser piezoelektrik keramik piezo akan terjadi langsung dari fase gas ke fase 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.

①Sumber pemanas tahan api: terbuat dari logam tahan api seperti tungsten dan tantalum yang terbuat dari foil perahu atau filamen, mengalirkan arus untuk memanaskan bahan penguapan di atasnya atau ditempatkan di wadah (sumber pemanas tahan api terutama digunakan untuk menguapkan Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni dan bahan lainnya.

② Sumber pemanas induksi frekuensi tinggi: memanaskan wadah dan bahan penguapan dengan arus induksi frekuensi tinggi.

③ Sumber pemanas berkas elektron: cocok untuk material dengan suhu penguapan tinggi (tidak kurang dari 2000), yaitu membombardir material dengan berkas elektron untuk membuatnya menguap.

Untuk menyimpan film kristal tunggal dengan kemurnian tinggi, epitaksi berkas molekul dapat digunakan. Tungku jet dilengkapi dengan sumber berkas molekul. Ketika dipanaskan sampai suhu tertentu di bawah vakum ultra-tinggi,  elemen transduser disk piezo  dalam tungku diarahkan ke substrat sebagai berkas aliran molekul. Substrat dipanaskan hingga suhu tertentu, molekul yang disimpan pada substrat dapat bermigrasi, dan kristal tumbuh sesuai urutan kisi substrat. Metode epitaksi berkas molekul dapat memperoleh film kristal tunggal dari senyawa dengan kemurnian tinggi dengan rasio stoikiometri yang diperlukan, dan pertumbuhan film paling lambat. Kecepatannya dapat dikontrol pada 1 lapisan/detik. Dengan mengontrol penyekat, film tipis kristal piezo tunggal dengan komposisi dan struktur yang diinginkan dapat dibuat secara akurat. Epitaksi berkas molekul banyak digunakan untuk memproduksi berbagai perangkat optik terintegrasi dan berbagai film struktur superlattice

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 dari 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. Kini penelitian yang lebih banyak mengenai sputter coating adalah magnetron sputtering 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 luar untuk menangkap elektron, memperluas dan menahan jalur pergerakan elektron, meningkatkan laju ionisasi, dan meningkatkan laju pelapisan.

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, dan menambahkan pelarut organik lainnya untuk mengatur viskositas dan pH larutan. Getaran ultrasonik terus menerus menyebarkan bubuk nano dalam larutan, dan akhirnya memperoleh larutan bubuk seragam, dan menyimpan film yang diperlukan 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. 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.

Preparasi film tebal secara hidrotermal memiliki banyak keuntungan:

① Proses selesai dalam fase cair pada satu waktu, dan tidak diperlukan perlakuan panas pasca kristalisasi, sehingga menghindari cacat seperti retak, pengkasaran butiran, reaksi dengan substrat atau atmosfer yang mungkin disebabkan selama proses perlakuan panas;

②Bahan anorganik digunakan sebagai prekursor, dan air digunakan sebagai media reaksi. Bahan bakunya mudah didapat, sehingga mengurangi biaya persiapan film dan mengurangi polusi lingkungan;

③ Peralatannya sederhana, dan suhu pengolahan hidrotermal rendah, sehingga menghindari interdifusi komponen film dan substrat sebelum dan sesudah pengolahan hidrotermal. Film yang dihasilkan mempunyai kemurnian tinggi dan keseragaman yang baik. Selain itu, bila metode ini digunakan untuk membuat film tebal, film tebal dapat diendapkan pada permukaan substrat dengan berbagai bentuk kompleks. Film tebal yang dihasilkan memiliki keunggulan tertentu yaitu polarisasi spontan, histeresis rendah, dan ikatan yang baik dengan substrat. . Saat ini, metode ini semakin menarik perhatian.

6. Metode pengendapan elektroforesis

Deposisi elektroforesis (EPD) mengacu pada pendispersian serbuk halus yang telah disiapkan dengan komposisi yang sama dengan film tebal dalam suspensi untuk membentuk suspensi dengan konsentrasi berbeda, dan mengatur nilai pH suspensi dengan larutan asam basa. Suspensi yang stabil diperoleh melalui dispersi ultrasonik dan pengadukan magnet, dan di bawah tekanan konstan, partikel bermuatan bergerak terarah di bawah aksi medan listrik, sehingga memperoleh film tebal dengan ketebalan tertentu. Film tebal yang dibuat dengan metode ini memiliki keunggulan peralatan yang sederhana, pembentukan film yang cepat, bentuk bagian yang dilapisi tidak terbatas, ketebalan film yang seragam dan dapat dikontrol, dll. Film tebal yang dihasilkan dapat mencapai puluhan mikron, serta komposisinya seragam dan padat.