Piëzo-elektrische keramische materialen zijn functionele materialen die de omzetting tussen mechanische energie en elektrische energie realiseren (1)

Piëzo-elektrische materialen zijn functionele materialen die de omzetting tussen mechanische energie en elektrische energie realiseren. De ontwikkeling ervan kent een lange geschiedenis. Sinds de ontdekking van het piëzo-elektrische effect op kwartskristallen door de gebroeders CURIE in de jaren tachtig van de negentiende eeuw hebben piëzo-elektrische materialen brede aandacht getrokken. Met de verdieping van het onderzoek is er een groot aantal piëzo-elektrische materialen ontstaan, zoals piëzo-elektrische functionele keramische materialen, piëzo-film, piëzo-elektrische composietmaterialen, enz. Deze materialen hebben een zeer breed scala aan toepassingen en spelen een belangrijke rol in functionele conversie-apparaten zoals elektriciteit, magnetisme, geluid, licht, warmte, vochtigheid, gas en kracht.

PVDF piëzo-elektrische film
PVDF piëzo-elektrische film is polyvinylideenfluoride piëzo-elektrische film. In 1969 ontdekten de Japanners het polymeermateriaal polyvinylideenfluoride (polyvinylideenfluoridepolymeer), ook wel PVDF genoemd, dat een zeer sterk piëzo-elektrisch effect heeft. De PVDF-film heeft hoofdzakelijk twee soorten piëzokristallen, namelijk het α-type en het β-type. Het piëzokristal van het a-type heeft geen piëzo-elektriciteit, maar nadat de PVDF-film is gerold en uitgerekt, wordt het oorspronkelijke kristal van het a-type in de film een ​​kristalstructuur van het p-type. Wanneer de uitgerekte en gepolariseerde PVDF-film wordt onderworpen aan externe kracht of vervorming in een bepaalde richting, ultrasone niveautransducer zal het gepolariseerde oppervlak van de film een ​​bepaalde elektrische lading genereren, dat wil zeggen het piëzo-elektrische effect.

Vergeleken met piëzo-elektrische keramiek en piëzo-elektrische kristallen hebben piëzo-elektrische films de volgende voordelen:

(1) Licht van gewicht, de dichtheid is slechts een kwart van de veelgebruikte piëzo-elektrische keramische PZT, geplakt op het meetobject heeft bijna geen effect op de oorspronkelijke structuur, hoge elastische flexibiliteit, kan in een specifieke vorm worden verwerkt. Het meetoppervlak is volledig gemonteerd, met hoge mechanische sterkte en slagvastheid;
(2) Hoogspanningsuitgang, onder dezelfde spanningsomstandigheden is de uitgangsspanning 10 keer hoger dan bij piëzo-elektrische keramiek;
(3) Hoge diëlektrische sterkte die bestand is tegen het effect van een sterk elektrisch veld (75V / um). Op dit moment zijn de meeste piëzo-elektrische keramieken gedepolariseerd;
(4) De akoestische impedantie is laag, slechts een tiende van de piëzo-elektrische keramische PZT, dichtbij water, menselijk weefsel en stroperig lichaam;
(5) De frequentierespons is breed en het elektromechanische effect kan worden omgezet van 10-3 Hz naar 109, en de trillingsmodus is eenvoudig.

Eigenschappen van piëzofilms
1. Diëlektrische constante
Hoewel de piëzo-elektrische film een ​​monokristallijne film of een polykristallijne film is met een voorkeursoriëntatie, is de atomaire pakking daarin niet zo dicht en geordend als in het kristal, dus de diëlektrische constantewaarde van de piëzo-elektrische film verschilt van de waarde van het kristal. Daarnaast zijn er vaak grote interne restspanningen in de film en de redenen voor de meting, die er ook voor zorgen dat de diëlektrische constantewaarde van de film verschilt van de overeenkomstige waarde van het kristal.
Bestaande onderzoeken hebben aangetoond dat de diëlektrische constante van de piëzo-elektrische film niet alleen verband houdt met de kristaloriëntatie, maar ook afhangt van de testomstandigheden. De diëlektrische constante van de piëzo-elektrische film heeft een aanzienlijke spreiding. Naast het verschil in interne spanning en testomstandigheden wordt algemeen aangenomen dat het verschil tussen de chemische samenstellingsverhouding en de filmdikte van de filmsamenstelling afneemt met de dikte van de film. Dun en klein. Bovendien zal de diëlektrische constante van de piëzo-elektrische dunne film ook aanzienlijk veranderen met de temperatuur en de frequentie.

2. Volumeweerstand
Vanuit het perspectief van het verminderen van het diëlektrische verlies en de relaxatiefrequentie van de piëzo-elektrische film wordt verwacht dat deze een zeer hoge weerstand heeft, ten minste ρv≥108Ω • cm. De weerstand van AlN-film is 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, wat veel hoger is dan 108Ω · cm, dus in dit opzicht is AlN een zeer uitstekende film. Bovendien volgt de verandering in elektrische geleidbaarheid van AlN-piëzo-elektrische films met temperatuur ook de 1nσ∝1 / T-wet. Geen van de kristallen met piëzo-elektrisch effect heeft een symmetriecentrum, dus hun elektronenmobiliteit is ook anisotroop en hun elektrische geleidbaarheid is ook anders. De geleidbaarheid van de AlN-piëzo-elektrische film langs de C-asrichting verschilt van de richting loodrecht op de C-as. De eerste is ongeveer 1 tot 2 ordes van grootte kleiner.

3. Verlieshoektangens
De diëlektrische verliestangens van de AlN-piëzo-elektrische film is tanδ = 0,003 ~ 0,005, en de tanδ van de ZnO-film is groter, namelijk 0,005 ~ 0,01. De reden waarom de tanδ van deze films zo groot is, is dat deze films naast het geleidingsproces ook aanzienlijke relaxatieverschijnselen vertonen. Net als bij de diëlektrische dunne film neemt de tan δ van de piëzo-elektrische dikke film geleidelijk toe met het toenemen van de temperatuur en frequentie en de toename van de luchtvochtigheid. Bovendien heeft tan 8 de neiging toe te nemen naarmate de filmdikte afneemt. Het is duidelijk dat de toename van tan δ met de temperatuur het gevolg is van de toename van de geleiding en de toename van het aantal relaxoren. Het neemt toe met de frequentie omdat het aantal relaxatietijden in de tijd toeneemt.

4. Doorslagsterkte
Omdat de diëlektrische doorslagveldsterkte tot de sterkteparameter behoort en verschillende defecten onvermijdelijk zijn in de film, heeft de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film een ​​aanzienlijke spreiding; de diëlektrische doorslagtheorie. De doorslagveldsterkte moet geleidelijk toenemen naarmate de filmdikte afneemt. Maar omdat de film veel defecten bevat, is het effect van het defect groter naarmate de dikte kleiner is. Wanneer de dikte dus tot een bepaalde waarde wordt teruggebracht, wordt de doorslagveldsterkte van de film scherp kleiner. De doorslagveldsterkte van de film heeft, naast de redenen van de film zelf, ook de invloed van de rand van de elektrode tijdens de test. Omdat hoe dikker de film is, des te ongelijkmatiger het elektrische veld aan de rand van de elektrode is, zodat naarmate de filmdikte toeneemt, de doorslagveldsterkte ervan geleidelijk afneemt. Naast de bovengenoemde factoren hangt de doorslagveldsterkte van de diëlektrische film ook af van de filmstructuur. Voor de piëzo-elektrische film hangt de doorslagveldsterkte ook af van de richting van het elektrische veld, dat wil zeggen dat deze ook anisotroop is wat betreft de doorslagveldsterkte. Vanwege het bestaan ​​van korrelgrenzen in de polykristallijne film is de doorslagveldsterkte ervan lager dan die van de amorfe film; om soortgelijke redenen is de doorslagveldsterkte van de preferentieel georiënteerde piëzo-elektrische film in de korreloriëntatierichting hoger dan die in de loodrechte richting. De doorslagveldsterkte is lager.

Net als andere diëlektrische films hangt de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film ook af van enkele externe factoren, zoals spanningsgolfvorm, frequentie, temperatuur en elektroden. Omdat de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film met vele factoren verband houdt, zijn de in de relevante literatuur gerapporteerde doorslagveldsterktewaarden voor dezelfde film vaak inconsistent en variëren ze zelfs sterk. De doorslagveldsterkte van de ZnO-film is bijvoorbeeld 0,01 ~ 0,4 MV / cm, de AlN-film is 0,5 ~ 6,0 MV / cm.

5. Prestaties van akoestische golven in bulk
De belangrijkste karakteristieke parameters van piëzo-elektrische transducers met bulk-akoestische golven zijn de resonantiefrequentie f0, de akoestische impedantie Za en de elektromechanische koppelingscoëfficiënt K, dus de geluidssnelheid υ en de temperatuurcoëfficiënt van de piëzo-elektrische film, de akoestische impedantie en de elektromechanische koppelingscoëfficiënt zijn bijzonder streng. Deze eigenschappen van de film zijn niet alleen afhankelijk van de elasticiteit, diëlektrische, piëzo-elektrische en thermische eigenschappen van de kristalkorrels in de film, maar hangen ook nauw samen met de structuur van de piëzo-elektrische film, zoals de mate van compactheid van de korrels en de mate van voorkeursoriëntatie. In de piëzo-elektrische film is het vanwege de defecten en spanning van de kristalkorrel geen perfect enkel kristal, dus de fysieke constante van de film wijkt enigszins af van de kristalwaarde. Omdat de structuur van de piëzo-elektrische film nauw verwant is aan het bereidingsproces, zelfs voor dezelfde piëzo-elektrische film, zijn de prestatiewaarden die in de verschillende literatuur worden gerapporteerd vaak inconsistent. Van alle anorganische non-ferro piëzo-elektrische films heeft de AlN-film een ​​grote elastische constante, maar een lage dichtheid en de hoogste geluidssnelheid. Daarom is de film het meest geschikt voor UHF- en magnetronapparaten.

6. Prestaties van akoestische oppervlaktegolven
Wanneer de akoestische oppervlaktegolf zich voortplant in de piëzo-elektrische cilindertransducer , de amplitude van de deeltjesverplaatsing neemt snel af naarmate de afstand tot het oppervlak van het medium toeneemt, zodat de akoestische oppervlaktegolfenergie voornamelijk geconcentreerd is in de volgende twee golflengten op het oppervlak. De akoestische oppervlaktegolfprestaties van het filmmateriaal kunnen worden uitgedrukt als de volgende functionele formule: akoestische oppervlaktegolfprestaties = F (grondstof, substraat, filmstructuur, golfmodus, voortplantingsrichting, interdigitale elektrodevorm, diktegolfgetalproduct) Een tabel met geluidsgolfprestatieparameters kan niet worden weergegeven door een enkele waarde. Een andere akoestische golfeigenschap van piëzo-elektrische films is transmissieverlies. Omdat piëzo-elektrische films vaak worden gebruikt als akoestische transmissiemedia in oppervlaktegolfapparaten, is de bron van transmissieverlies voornamelijk de verstrooiing van akoestische golven in de piëzo-elektrische film en het substraat.

Methode voor het bereiden van piëzo-elektrische film
De bereidingsmethoden van piëzo-elektrische dunne films omvatten voornamelijk traditionele vacuümcoatingmethoden, waaronder vacuümverdampingscoating, sputtercoating en chemische dampafzettingscoating met een dikte van 0-18 μm, en de nieuwe sol-gelmethode, hydrothermische methode en elektroforetische afzettingsmethode 10 ~ 100 μm piëzo-elektrisch dik filmmateriaal.
Dikke piëzo-elektrische film verwijst meestal naar een piëzo-elektrische film met een dikte van 10 tot 100 μm. Vergeleken met de dunne film worden de piëzo-elektrische en ferro-elektrische eigenschappen ervan minder beïnvloed door het grensvlak en het oppervlak; vanwege de relatief grote dikte kan dit soort PZT-materiaal ook een grote drijvende kracht genereren en heeft het een bredere werkfrequentie; vergeleken met het bulkmateriaal is de bedrijfsspanning laag, de gebruiksfrequentie hoog en is het compatibel met halfgeleiderprocessen.

1. Vacuümverdampingscoating
Vacuümverdampingscoating is het verdampen van een stof door deze te verwarmen en af ​​te zetten op een vast oppervlak, dit wordt verdampingscoating genoemd. Deze methode werd voor het eerst voorgesteld door M. Faraday in 1857, en modernisering is een van de meest gebruikte coatingtechnologieën geworden.
Vacuümverdampingscoating omvat de volgende drie basisprocessen:
(1) Verwarmings- en verdampingsproces, inclusief het randproces van de overgang van gecondenseerde fase naar gasfase (vaste fase of vloeibare fase → gasfase). Elke verdampende stof heeft een andere verzadigde dampdruk bij verschillende temperaturen. Bij het verdampen van een verbinding reageren de componenten ervan, en sommige ervan komen in gasvormige toestand of damp de verdampingsruimte binnen.
(2) Het transport van verdampte atomen of moleculen tussen de verdampingsbron en het substraat, en het vluchtproces van deze voorbeelden in de omgevingsatmosfeer. Het aantal botsingen met resterende gasmoleculen in de vacuümkamer tijdens de vlucht hangt af van het gemiddelde vrije pad van de verdampte atomen en de afstand van de verdampingsbron tot het substraat, vaak de bron-basisafstand genoemd.
(3) Het precipitatieproces van verdampte atomen of moleculen op het oppervlak van het substraat, en de dampcondensatie, kiemvorming, kerngroei en de vorming van een continue film. Omdat de temperatuur van het substraat veel lager is dan de temperatuur van de verdampingsbron, zal het faseovergangsproces van de afzettingsmoleculen op het substraatoppervlak rechtstreeks plaatsvinden van de gasfase naar de vaste fase.
Wanneer een stof verdampt, is het belangrijk om de verzadigde dampdruk, de verdampingssnelheid en het gemiddelde vrije pad van de verdampte moleculen te kennen. Er zijn drie soorten verdampingsbronnen.

2. Vacuümsputtercoating
Een voorbeeld met een kinetische energie van meer dan een paar honderd elektronvolt of een ionenbundel bombardeert het vaste oppervlak, zodat de atomen die zich dicht bij het vaste oppervlak bevinden een deel van de energie van de invallende deeltjes verkrijgen en de vaste stof verlaten om het vacuüm in te gaan. Dit fenomeen wordt sputteren genoemd. Het sputterfenomeen brengt een complex verstrooiingsproces met zich mee en gaat gepaard met verschillende energieoverdrachtsmechanismen. Algemeen wordt aangenomen dat dit proces voornamelijk het zogenaamde botsingscascadeproces is, dat wil zeggen dat de invallende ionen elastisch botsen met de doelatomen, zodat de doelatomen voldoende energie verkrijgen om de potentiële barrière gevormd door de omringende atomen te overwinnen en de oorspronkelijke positie te verlaten, en verder en nabijgelegen atomen botsen. Wanneer deze botsingscascade het oppervlak van het doelatoom bereikt, zodat de atomen een energie verkrijgen die hoger is dan de bindingsenergie aan het oppervlak, zullen deze atomen het oppervlak van het doelatoom verlaten en in een vacuüm terechtkomen. Nu zijn meer onderzoeken naar sputtercoating magnetronsputtercoating. Magnetronsputteren is het sputteren op hoge snelheid onder lage druk, en het is noodzakelijk om de ionisatiesnelheid van het gas effectief te verhogen. Door een magnetisch veld op het oppervlak van de doelkathode te introduceren, wordt het magnetische veld gebruikt om de geladen deeltjes tegen te houden om de plasmadichtheid te verhogen en de sputtersnelheid te verhogen. Gebruik een extern magnetisch veld om elektronen op te vangen, het bewegingspad van elektronen uit te breiden en te beperken, de ionisatiesnelheid te verhogen en de coatingsnelheid te verhogen.

3. Coating met chemische dampafzetting
Chemische dampafzetting is een chemische dampgroeimethode, ook wel CVD-technologie (Chemical Vapour Deposition) genoemd. Bij deze methode wordt het elementaire gas dat een of meerdere verbindingen bevat die het dunne-filmelement vormen, aan het substraat toegevoerd en wordt de vereiste dunne film gevormd door gasfase of chemische reactie op het oppervlak van het substraat met behulp van energiebronnen zoals verwarming, plasma, ultraviolet licht of zelfs laserlicht. Omdat de CVD-methode gebruik maakt van verschillende gasreacties om de dunne film te bereiden, kan de samenstelling van de dunne film willekeurig worden gecontroleerd, zodat veel nieuwe filmmaterialen kunnen worden geproduceerd. Wanneer de CVD-methode wordt gebruikt om een ​​dunne film te bereiden, is de groeitemperatuur ervan aanzienlijk lager dan het smeltpunt van het materiaal waaruit de dunne film bestaat, de resulterende filmlaag heeft een goede uniformiteit, heeft stapdekking en is geschikt voor substraten met complexe vormen. Vanwege de voordelen ervan, zoals een hoge afzettingssnelheid, weinig gaatjes, hoge zuiverheid, compactheid en weinig kristalvormende defecten, is het toepassingsbereik van chemische dampafzetting zeer breed. De CVD-methode kan worden gebruikt om piëzo-elektrische dikke-filmmaterialen te bereiden met een dicht, glad oppervlak, een dikte van 0 ~ 18 μm en uitstekende prestaties. Daarom heeft de CVD-methode zich bij de bereiding van piëzo-elektrische dikke films snel ontwikkeld en door veel onderzoekers overgenomen.

4. Nieuwe oplossingsgelmethode
De nieuwe sol-gelmethode is om het bereide poeder (dezelfde samenstelling als de sol) aan de sol toe te voegen, vervolgens een bepaald organisch oplosmiddel aan de oplossing toe te voegen als dispergeermiddel, andere organische oplosmiddelen toe te voegen om de viscositeit aan te passen en pH van de oplossing, en ten slotte verspreiden niet continue ultrasone trillingen de nanopoeders in de oplossing en wordt uiteindelijk een uniforme poederoplossing verkregen. De benodigde film wordt volgens de sol-gel-methode op het substraat aangebracht. Bij dit depositieproces fungeren de poederdeeltjes als entkristallen.
Op deze manier kan een dikke film met een dikte van tientallen microns worden geproduceerd. Het vermijdt het probleem van barsten of zelfs het loslaten van de film veroorzaakt door de dikke film die is bereid met de traditionele sol-gel-methode. De bereide dikke filmcomponenten zijn gelijkmatig gemengd en hebben een hoge zuiverheid, en vereisen geen sinteren bij hoge temperatuur, en de resulterende dikke film is compatibel met het halfgeleiderbereidingsproces. En de apparatuur is eenvoudig, de kosten laag en de membraansamenstelling kan worden gecontroleerd, dus deze methode wordt momenteel vaker gebruikt.

5. Hydrothermische methode
De hydrothermische methode verwijst naar het gebruik van een waterige oplossing als reactiemedium in een speciaal vervaardigd gesloten reactievat (autoclaaf). Door het reactievat te verwarmen wordt een reactieomgeving met hoge temperatuur en hoge druk gecreëerd, zodat normaal onoplosbare of onoplosbare stoffen worden opgelost en herkristalliseerd. De dikke film die met deze methode wordt bereid, bestaat uit het stoichiometrisch mengen van enkele verbindingen in de te bereiden dikke filmcomponent tot een verzadigde oplossing in een bepaald alkalisch medium en het aanpassen van de PH-waarde. Daarna wordt de oplossing overgebracht naar een autoclaaf en kan er na een bepaalde reactietijd een bepaalde dikte op het substraat worden gegroeid.