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Visualizzazioni: 3 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 2020-07-09 Origine: Sito
Metodo per la preparazione di film piezoelettrici
I metodi di preparazione dei film sottili piezoelettrici sono principalmente metodi tradizionali di rivestimento sotto vuoto, tra cui il rivestimento per evaporazione sotto vuoto, il rivestimento sputtering, il rivestimento per deposizione chimica da vapore viene preparato in uno spessore di 0 ~ 18μm, il nuovo metodo sol-gel, il metodo idrotermale, il metodo di deposizione elettroforetica viene preparato con materiale a film spesso piezoelettrico da 10-100μm.
La pellicola piezoelettrica spessa si riferisce solitamente a una pellicola piezoelettrica trasduttore piezoelettrico emisferico con uno spessore da 10 a 100 μm. Rispetto al film sottile, le sue proprietà piezoelettriche e ferroelettriche sono meno influenzate dall'interfaccia e dalla superficie; a causa del suo spessore relativamente ampio, questo tipo di materiale può anche generare una grande forza motrice e ha una frequenza operativa più ampia; rispetto al materiale sfuso, la sua tensione operativa è bassa, la frequenza di utilizzo è elevata ed è compatibile con i processi a semiconduttore.
1. Rivestimento per evaporazione sotto vuoto
Il rivestimento per evaporazione sotto vuoto consiste nell'evaporare una sostanza riscaldandola e depositandola su una superficie solida, chiamata rivestimento per evaporazione. Questo metodo fu proposto per la prima volta da M. Faraday nel 1857 e la modernizzazione è diventata una delle tecnologie di rivestimento comunemente utilizzate.
Il rivestimento per evaporazione sotto vuoto comprende i seguenti tre processi base:
(1) Il processo di riscaldamento ed evaporazione compreso il processo di bordatura dalla fase condensata alla fase gassosa (fase solida o fase liquida→fase gassosa). Ciascuna sostanza in evaporazione ha una diversa pressione di vapore saturo a diverse temperature. Quando si evapora un composto, i suoi componenti reagiscono e alcuni di essi entrano nello spazio di evaporazione allo stato gassoso o vapore.
(2) Il trasporto di atomi o molecole vaporizzati tra la fonte di evaporazione e il substrato e il processo di volo di questi esempi nell'atmosfera ambientale. Il numero di collisioni con le molecole di gas residuo nella camera a vuoto durante il volo dipende dal percorso libero medio degli atomi evaporati e dalla distanza dalla sorgente di evaporazione al substrato, spesso chiamata distanza sorgente-base.
(3) Il processo di precipitazione di atomi o molecole vaporizzati sulla superficie del substrato e la condensazione del vapore, la nucleazione, la crescita nucleare e la formazione di una pellicola continua. Poiché la temperatura del substrato è molto inferiore alla temperatura della fonte di evaporazione, il processo di transizione di fase delle molecole depositate sulla superficie del substrato il trasduttore piezoelettrico in ceramica piezoelettrica avverrà direttamente dalla fase gassosa alla fase solida....
Quando una sostanza evapora, è importante conoscere la pressione del vapore saturo, la velocità di evaporazione e il percorso libero medio delle molecole evaporate. Esistono tre tipi di fonti di evaporazione.
①Fonte di riscaldamento della resistenza: realizzata in metalli refrattari come tungsteno e tantalio costituiti da lamina o filamento di una barca, che fa passare corrente per riscaldare il materiale di evaporazione sopra di esso o collocato nel crogiolo (la fonte di riscaldamento della resistenza viene utilizzata principalmente per evaporare Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni e altri materiali.
② Sorgente di riscaldamento a induzione ad alta frequenza: riscaldamento del crogiolo ed evaporazione del materiale con corrente di induzione ad alta frequenza.
③ Sorgente di riscaldamento a fascio di elettroni: adatta per materiali con elevata temperatura di evaporazione (non inferiore a 2000), ovvero bombardare il materiale con fascio di elettroni per farlo evaporare.
Per depositare una pellicola monocristallina di elevata purezza, è possibile utilizzare l'epitassia a fascio molecolare. Il forno a getto è dotato di una sorgente a fascio molecolare. Quando viene riscaldato a una certa temperatura sotto vuoto ultra-alto, il Gli elementi trasduttori a disco piezoelettrico nel forno sono diretti verso il substrato come un fascio di flusso molecolare. Il substrato viene riscaldato ad una certa temperatura, le molecole depositate sul substrato possono migrare e i cristalli crescono nell'ordine del reticolo del substrato. Il metodo dell'epitassia a fascio molecolare può ottenere una pellicola monocristallina di composto ad elevata purezza con il rapporto stechiometrico richiesto e la pellicola cresce più lentamente. La velocità può essere controllata a 1 singolo strato/secondo. Controllando il deflettore, è possibile realizzare con precisione film sottili a singolo cristallo piezoelettrico con la composizione e la struttura desiderate. L'epitassia del fascio molecolare è ampiamente utilizzata per produrre vari dispositivi ottici integrati e vari film con struttura superreticolare
2. Rivestimento sputtering sotto vuoto
Un esempio con un'energia cinetica superiore a qualche centinaio di elettronvolt oppure un fascio ionico bombarda la superficie solida, in modo che gli atomi vicini alla superficie solida ottengono una parte dell'energia delle particelle incidenti e lasciano il solido per entrare nel vuoto. Questo fenomeno è chiamato sputtering. Il fenomeno dello sputtering comporta un complesso processo di diffusione ed è accompagnato da vari meccanismi di trasferimento di energia.
Si ritiene generalmente che questo processo sia principalmente il cosiddetto processo a cascata di collisione, cioè gli ioni incidenti si scontrano elasticamente con gli atomi bersaglio, in modo che gli atomi bersaglio ottengano energia sufficiente per superare la barriera di potenziale formata dagli atomi circostanti e lasciare la posizione originale, e gli atomi più lontani e vicini si scontrano. Quando questa cascata di collisioni raggiunge la superficie dell'atomo bersaglio in modo che gli atomi ottengano un'energia superiore all'energia di legame superficiale, questi atomi lasceranno la superficie dell'atomo bersaglio ed entreranno nel vuoto. Ora ulteriori ricerche sul rivestimento sputtering sono il rivestimento sputtering magnetron. Lo sputtering del magnetron consiste nell'eseguire lo sputtering ad alta velocità a bassa pressione ed è necessario aumentare efficacemente il tasso di ionizzazione del gas. Introducendo un campo magnetico sulla superficie del catodo target, il campo magnetico viene utilizzato per trattenere le particelle cariche per aumentare la densità del plasma e aumentare la velocità di sputtering. Utilizzare un campo magnetico esterno per catturare gli elettroni, estendere e frenare il percorso di movimento degli elettroni, aumentare la velocità di ionizzazione e aumentare la velocità di rivestimento.
4. Nuovo metodo del gel in soluzione
Il nuovo metodo sol-gel consiste nell'aggiungere la polvere preparata (stessa composizione del sol) al sol, quindi aggiungere un certo solvente organico alla soluzione come disperdente e aggiungere altri solventi organici per regolare la viscosità e il pH della soluzione. La vibrazione ultrasonica continua disperde la nano-polvere nella soluzione e infine ottiene una soluzione uniforme di polvere e deposita la pellicola richiesta sul substrato mediante il metodo sol-gel. In questo processo di deposizione, le particelle di polvere agiscono come semi di cristalli.
In questo modo è possibile produrre un film spesso con uno spessore di decine di micron. Evita il problema delle screpolature o addirittura del distacco del film causato dal film spesso preparato con il tradizionale metodo sol-gel. I componenti preparati del film spesso sono miscelati uniformemente e hanno un elevato grado di purezza e non richiedono sinterizzazione ad alta temperatura. Il film spesso risultante è compatibile con il processo di preparazione dei semiconduttori. Inoltre, l'attrezzatura è semplice, il costo è basso e la composizione della membrana può essere controllata, quindi questo metodo è attualmente utilizzato più spesso.
5. Metodo idrotermale
Il metodo idrotermale si riferisce all'uso di una soluzione acquosa come mezzo di reazione in un recipiente di reazione chiuso appositamente realizzato (autoclave). Riscaldando il recipiente di reazione, viene creato un ambiente di reazione ad alta temperatura e alta pressione, in modo che le sostanze normalmente insolubili o insolubili vengano sciolte e ricristallizzate. Il film spesso preparato con questo metodo consiste nel mescolare stechiometricamente alcuni composti nel componente del film spesso da preparare in una soluzione satura in un determinato mezzo alcalino e regolare il valore del pH. Successivamente la soluzione viene trasferita in un'autoclave e dopo un certo tempo di reazione è possibile far crescere un certo spessore sul substrato.
La preparazione idrotermale dei film spessi presenta numerosi vantaggi:
① Il processo viene completato contemporaneamente nella fase liquida e non è richiesto alcun trattamento termico post-cristallizzazione, evitando così difetti come fessurazioni, ingrossamento del grano, reazione con il substrato o l'atmosfera che potrebbero essere causati durante il processo di trattamento termico;
②I materiali inorganici vengono utilizzati come precursori e l'acqua viene utilizzata come mezzo di reazione. Le materie prime sono facilmente disponibili, il che riduce i costi di preparazione della pellicola e ha un minore inquinamento ambientale;
③ L'attrezzatura è semplice e la temperatura del trattamento idrotermale è bassa, il che evita l'interdiffusione dei componenti del film e del substrato prima e dopo il trattamento idrotermale. Il film risultante ha elevata purezza e buona uniformità. Inoltre, quando questo metodo viene utilizzato per preparare pellicole spesse, le pellicole spesse possono essere depositate su superfici di substrati di varie forme complesse. I film spessi risultanti presentano alcuni vantaggi di polarizzazione spontanea, bassa isteresi e buon legame con i substrati. . Allo stato attuale, questo metodo ha attirato sempre più attenzione.
6. Metodo di deposizione elettroforetica
La deposizione elettroforetica (EPD) si riferisce alla dispersione della polvere fine preparata con la stessa composizione del film spesso nella sospensione per formare una sospensione con concentrazioni diverse e alla regolazione del valore del pH della sospensione con una soluzione acido-base. La sospensione stabile si ottiene mediante dispersione ultrasonica e agitazione magnetica e, sotto pressione costante, le particelle cariche si muovono direzionalmente sotto l'azione del campo elettrico, ottenendo così una pellicola spessa con un certo spessore. Il film spesso preparato con questo metodo presenta i vantaggi di un'attrezzatura semplice, formazione rapida del film, forma illimitata delle parti placcate, spessore del film uniforme e controllabile, ecc. Il film spesso risultante può raggiungere decine di micron e la composizione è uniforme e densa.
