Bahan piezoelektrik ialah bahan berfungsi yang merealisasikan penukaran antara tenaga mekanikal dan tenaga elektrik(2)

Kaedah untuk menyediakan filem piezoelektrik

Kaedah penyediaan filem nipis piezoelektrik terutamanya kaedah salutan vakum tradisional, termasuk salutan penyejatan vakum, salutan sputtering, salutan pemendapan wap kimia disediakan dalam ketebalan 0 ~ 18μm, kaedah sol-gel baru, kaedah hidroterma, kaedah pemendapan elektroforetik disediakan 10-100μm bahan filem tebal piezoelectric.

Filem piezoelektrik tebal biasanya merujuk kepada filem piezoelektrik  transduser hemisfera piezoelektrik  dengan ketebalan 10 hingga 100 μm. Berbanding dengan filem nipis, sifat piezoelektrik dan feroelektriknya kurang dipengaruhi oleh antara muka dan permukaan; kerana ketebalannya yang agak besar, jenis bahan ini juga boleh menjana daya penggerak yang besar, dan mempunyai frekuensi operasi yang lebih luas; berbanding dengan bahan pukal, voltan operasinya rendah, kekerapan penggunaannya tinggi, dan ia serasi dengan proses semikonduktor.

1. Salutan penyejatan vakum

Salutan penyejatan vakum adalah untuk menyejat bahan dengan memanaskan dan mendepositkannya pada permukaan pepejal, yang dipanggil salutan penyejatan. Kaedah ini pertama kali dicadangkan oleh M. Faraday pada tahun 1857, dan pemodenan telah menjadi salah satu teknologi salutan yang biasa digunakan.

Salutan penyejatan vakum merangkumi tiga proses asas berikut:

(1) Proses pemanasan dan penyejatan termasuk proses tepi daripada fasa terkondensasi kepada fasa gas (fasa pepejal atau fasa cecair→fasa gas). Setiap bahan penyejat mempunyai tekanan wap tepu yang berbeza pada suhu yang berbeza. Apabila menyejat sebatian, komponennya bertindak balas, dan sebahagian daripadanya memasuki ruang penyejatan dalam keadaan gas atau wap.

(2) Pengangkutan atom atau molekul terwap antara sumber penyejatan dan substrat, dan proses penerbangan contoh-contoh ini dalam atmosfera ambien. Bilangan perlanggaran dengan molekul gas sisa dalam kebuk vakum semasa penerbangan bergantung pada laluan bebas purata atom yang tersejat dan jarak dari sumber penyejatan ke substrat, sering dipanggil jarak sumber-bes.

(3) Proses pemendakan atom atau molekul terwap pada permukaan substrat, dan pemeluwapan wap, nukleasi, pertumbuhan nuklear, dan pembentukan filem berterusan. Oleh kerana suhu substrat adalah jauh lebih rendah daripada suhu sumber penyejatan, proses peralihan fasa molekul deposit pada permukaan substrat seramik piezo transduser piezoelektrik akan berlaku terus dari fasa gas ke fasa pepejal....

Apabila bahan menyejat, adalah penting untuk mengetahui tekanan wap tepu, kadar penyejatan, dan laluan bebas purata molekul yang tersejat. Terdapat tiga jenis sumber penyejatan.

①Punca pemanasan rintangan: diperbuat daripada logam refraktori seperti tungsten dan tantalum yang diperbuat daripada kerajang bot atau filamen, mengalirkan arus untuk memanaskan bahan penyejatan di atasnya atau diletakkan di dalam mangkuk pijar (sumber pemanasan rintangan digunakan terutamanya untuk menyejat Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni dan bahan lain.

② Sumber pemanasan aruhan frekuensi tinggi: memanaskan mangkuk pijar dan bahan penyejat dengan arus aruhan frekuensi tinggi.

③ Sumber pemanasan rasuk elektron: sesuai untuk bahan dengan suhu penyejatan yang tinggi (tidak kurang daripada 2000), iaitu, membedil bahan dengan rasuk elektron untuk menjadikannya sejat.

Untuk mendepositkan filem kristal tunggal ketulenan tinggi, epitaksi rasuk molekul boleh digunakan. Relau jet dilengkapi dengan sumber pancaran molekul. Apabila ia dipanaskan pada suhu tertentu di bawah vakum ultra-tinggi,  elemen transduser cakera piezo  dalam relau diarahkan ke arah substrat sebagai rasuk aliran molekul. Substrat dipanaskan pada suhu tertentu, molekul yang didepositkan pada substrat boleh berhijrah, dan kristal ditanam mengikut susunan kekisi substrat. Kaedah epitaksi rasuk molekul boleh mendapatkan filem kristal tunggal sebatian ketulenan tinggi dengan nisbah stoikiometri yang diperlukan, dan filem itu tumbuh paling perlahan. Kelajuan boleh dikawal pada 1 lapisan tunggal/saat. Dengan mengawal penyekat, filem nipis kristal piezo tunggal dengan komposisi dan struktur yang dikehendaki boleh dibuat dengan tepat. Epitaksi rasuk molekul digunakan secara meluas untuk mengeluarkan pelbagai peranti bersepadu optik dan pelbagai filem struktur superlattice

2. Salutan sputtering vakum

Satu contoh dengan tenaga kinetik lebih daripada beberapa ratus volt elektron atau rasuk ion mengebom permukaan pepejal, supaya atom yang dekat dengan permukaan pepejal memperoleh sebahagian daripada tenaga zarah kejadian dan meninggalkan pepejal untuk memasuki vakum. Fenomena ini dipanggil sputtering. Fenomena sputtering melibatkan proses serakan yang kompleks dan disertai dengan pelbagai mekanisme pemindahan tenaga.

Secara amnya dipercayai bahawa proses ini terutamanya proses lata perlanggaran, iaitu, ion kejadian berlanggar secara elastik dengan atom sasaran, supaya atom sasaran memperoleh tenaga yang mencukupi untuk mengatasi halangan berpotensi yang dibentuk oleh atom sekeliling dan meninggalkan kedudukan asal, dan seterusnya dan atom berdekatan berlanggar. Apabila lata perlanggaran ini sampai ke permukaan atom sasaran supaya atom memperoleh tenaga lebih tinggi daripada tenaga pengikat permukaan, atom ini akan meninggalkan permukaan atom sasaran dan memasuki vakum. Kini lebih banyak penyelidikan mengenai salutan sputter adalah salutan sputtering magnetron. Sputtering magnetron adalah untuk melakukan sputtering berkelajuan tinggi di bawah tekanan rendah, dan ia adalah perlu untuk meningkatkan kadar pengionan gas dengan berkesan. Dengan memperkenalkan medan magnet pada permukaan katod sasaran, medan magnet digunakan untuk menahan zarah bercas untuk meningkatkan ketumpatan plasma untuk meningkatkan kadar sputtering. Gunakan medan magnet luaran untuk menangkap elektron, memanjangkan dan menyekat laluan pergerakan elektron, meningkatkan kadar pengionan, dan meningkatkan kadar salutan.

4. Kaedah gel larutan baru

Kaedah sol-gel yang baru adalah untuk menambah serbuk yang disediakan (komposisi yang sama seperti sol) kepada sol, dan kemudian menambah pelarut organik tertentu kepada larutan sebagai penyebar, dan menambah pelarut organik lain untuk menyesuaikan kelikatan dan pH larutan. Getaran ultrasonik berterusan menyebarkan serbuk nano dalam larutan, dan akhirnya memperoleh larutan serbuk seragam, dan mendepositkan filem yang diperlukan pada substrat dengan kaedah sol-gel. Dalam proses pemendapan ini, zarah serbuk bertindak sebagai kristal benih.

Dengan cara ini, filem tebal dengan ketebalan berpuluh-puluh mikron boleh dihasilkan. Ia mengelakkan masalah keretakan atau penumpahan filem yang disebabkan oleh filem tebal yang disediakan oleh kaedah sol-gel tradisional. Komponen filem tebal yang disediakan dicampur secara seragam dan ketulenan tinggi, dan yang tidak memerlukan pensinteran suhu tinggi. Filem tebal yang terhasil adalah serasi dengan proses penyediaan semikonduktor. Dan peralatannya mudah, kosnya rendah, dan komposisi membran boleh dikawal, jadi kaedah ini kini digunakan lebih kerap.

5. Kaedah hidroterma

Kaedah hidroterma merujuk kepada penggunaan larutan akueus sebagai medium tindak balas dalam bekas reaksi tertutup (autoklaf) yang dibuat khas. Dengan memanaskan bekas tindak balas, persekitaran tindak balas suhu tinggi dan tekanan tinggi dicipta, supaya bahan yang biasanya tidak larut atau tidak larut dibubarkan dan dihablurkan semula. Filem tebal yang disediakan dengan kaedah ini adalah untuk mencampurkan secara stoikiometri beberapa sebatian dalam komponen filem tebal untuk disediakan ke dalam larutan tepu dalam medium alkali tertentu dan melaraskan nilai PH. Selepas itu, larutan dipindahkan ke dalam autoklaf, dan ketebalan tertentu boleh ditanam pada substrat selepas masa tindak balas tertentu.

Penyediaan hidroterma filem tebal mempunyai banyak kelebihan:

① Proses selesai dalam fasa cecair pada satu masa, dan tiada rawatan haba selepas penghabluran diperlukan, dengan itu mengelakkan kecacatan seperti keretakan, kekasaran bijirin, tindak balas dengan substrat atau atmosfera yang mungkin disebabkan semasa proses rawatan haba;

②Bahan bukan organik digunakan sebagai prekursor, dan air digunakan sebagai medium tindak balas. Bahan mentah mudah didapati, yang mengurangkan kos penyediaan filem dan kurang pencemaran alam sekitar;

③ Peralatannya mudah, dan suhu rawatan hidroterma adalah rendah, yang mengelakkan interdifusi komponen filem dan substrat sebelum dan selepas rawatan hidroterma. Filem yang dihasilkan mempunyai ketulenan yang tinggi dan keseragaman yang baik. Di samping itu, apabila kaedah ini digunakan untuk menyediakan filem tebal, filem tebal boleh didepositkan pada permukaan substrat pelbagai bentuk kompleks. Filem tebal yang terhasil mempunyai kelebihan tertentu iaitu polarisasi spontan, histeresis rendah, dan ikatan yang baik dengan substrat. . Pada masa ini, kaedah ini telah menarik lebih banyak perhatian.

6. Kaedah pemendapan elektroforesis

Pemendapan elektroforetik (EPD) merujuk kepada penyebaran serbuk halus yang disediakan dengan komposisi yang sama seperti filem tebal dalam ampaian untuk membentuk ampaian dengan kepekatan yang berbeza, dan melaraskan nilai pH ampaian dengan larutan asid-bes. Suspensi stabil diperoleh melalui penyebaran ultrasonik dan kacau magnet, dan di bawah tekanan malar, zarah bercas bergerak mengikut arah di bawah tindakan medan elektrik, dengan itu memperoleh filem tebal dengan ketebalan tertentu. Filem tebal yang disediakan oleh kaedah ini mempunyai kelebihan peralatan ringkas, pembentukan filem cepat, bentuk bahagian bersalut yang tidak terhad, ketebalan filem seragam dan boleh dikawal, dan lain-lain. Filem tebal yang terhasil boleh mencapai puluhan mikron, dan komposisinya seragam dan padat.