Piëzo-elektrische materialen zijn functionele materialen die de omzetting tussen mechanische energie en elektrische energie realiseren(2)

Werkwijze voor het vervaardigen van piëzo-elektrische film

De bereidingsmethoden van piëzo-elektrische dunne films zijn voornamelijk traditionele vacuümcoatingmethoden, waaronder vacuümverdampingscoating, sputtercoating, chemische dampafzettingscoating wordt bereid in een dikte van 0 ~ 18 μm, nieuwe sol-gelmethode, hydrothermische methode, elektroforetische afzettingsmethode wordt bereid 10-100 μm piëzo-elektrisch dik filmmateriaal.

Dikke piëzo-elektrische film verwijst meestal naar een piëzo-elektrische film  piëzo-elektrische halfrondtransducer  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 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) Het verwarmings- en verdampingsproces, inclusief het randproces van de gecondenseerde fase naar de 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 piëzo-keramiek piëzo-elektrische transducer zal rechtstreeks van de gasfase naar de vaste fase plaatsvinden....

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.

①Weerstandsverwarmingsbron: gemaakt van vuurvaste metalen zoals wolfraam en tantaal gemaakt van bootfolie of gloeidraad, die stroom doorlaat om het verdampingsmateriaal erboven te verwarmen of in de smeltkroes te plaatsen (weerstandsverwarmingsbron wordt voornamelijk gebruikt om Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni en andere materialen te verdampen.

② Hoogfrequente inductieverwarmingsbron: verwarming van de smeltkroes en het verdampen van materiaal met hoogfrequente inductiestroom.

③ Verwarmingsbron met elektronenbundel: geschikt voor materialen met een hoge verdampingstemperatuur (niet minder dan 2000), dat wil zeggen, bombardeer het materiaal met een elektronenbundel om het te laten verdampen.

Om een ​​monokristallijne film met hoge zuiverheid af te zetten, kan moleculaire bundelepitaxie worden gebruikt. De straaloven is uitgerust met een moleculaire straalbron. Wanneer het onder ultrahoog vacuüm tot een bepaalde temperatuur wordt verwarmd, wordt het  piëzoschijftransducerelementen  in de oven zijn naar het substraat gericht als een straal moleculaire stroming. Het substraat wordt tot een bepaalde temperatuur verwarmd, de op het substraat afgezette moleculen kunnen migreren en de kristallen groeien in de volgorde van het substraatrooster. Met de moleculaire bundelepitaxiemethode kan een eenkristalfilm van een verbinding met een hoge zuiverheid met de vereiste stoichiometrische verhouding worden verkregen, en de film groeit het langzaamst. De snelheid kan worden geregeld op 1 enkele laag/seconde. Door het schot te regelen kunnen dunne piëzokristalfilms met de gewenste samenstelling en structuur nauwkeurig worden gemaakt. Moleculaire bundelepitaxie wordt veel gebruikt om verschillende optisch geïntegreerde apparaten en verschillende superroosterstructuurfilms te vervaardigen

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 verdere 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 is meer onderzoek 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 doelkathodeoppervlak 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.

4. Nieuwe oplossingsgelmethode

De nieuwe sol-gel-methode is om het bereide poeder (dezelfde samenstelling als de sol) aan de sol toe te voegen en vervolgens een bepaald organisch oplosmiddel aan de oplossing toe te voegen als dispergeermiddel, en andere organische oplosmiddelen toe te voegen om de viscositeit en pH van de oplossing aan te passen. Continue ultrasone trillingen verspreiden het nanopoeder in de oplossing en verkrijgen uiteindelijk een uniforme poederoplossing, en zetten de vereiste film op het substraat af via de sol-gel-methode. 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. 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

Hydrothermische methode verwijst naar het gebruik van een waterige oplossing als reactiemedium in een speciaal gemaakt 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.

Hydrothermische bereiding van dikke films heeft veel voordelen:

① Het proces wordt in één keer in de vloeibare fase voltooid en er is geen warmtebehandeling na kristallisatie vereist, waardoor defecten zoals barsten, vergroving van de korrels, reactie met het substraat of de atmosfeer die tijdens het warmtebehandelingsproces kunnen worden veroorzaakt, worden vermeden;

②Anorganische materialen worden gebruikt als voorlopers en water wordt gebruikt als reactiemedium. De grondstoffen zijn gemakkelijk verkrijgbaar, wat de kosten van filmvoorbereiding verlaagt en minder milieuvervuiling veroorzaakt;

③ De apparatuur is eenvoudig en de temperatuur van de hydrothermische behandeling is laag, waardoor de interdiffusie van de film- en substraatcomponenten vóór en na de hydrothermische behandeling wordt vermeden. De resulterende film heeft een hoge zuiverheid en goede uniformiteit. Wanneer deze methode wordt gebruikt om dikke films te maken, kunnen bovendien dikke films worden afgezet op substraatoppervlakken met verschillende complexe vormen. De resulterende dikke films hebben bepaalde voordelen van spontane polarisatie, lage hysteresis en goede binding met substraten. . Momenteel krijgt deze methode steeds meer aandacht.

6. Elektroforetische afzettingsmethode

Elektroforetische afzetting (EPD) verwijst naar het dispergeren van het bereide fijne poeder met dezelfde samenstelling als de dikke film in de suspensie om een ​​suspensie met verschillende concentraties te vormen, en het aanpassen van de pH-waarde van de suspensie met een zuur-base-oplossing. Stabiele suspensie wordt verkregen door ultrasone dispersie en magnetisch roeren, en onder constante druk bewegen de geladen deeltjes in richting onder invloed van het elektrische veld, waardoor een dikke film met een bepaalde dikte wordt verkregen. De dikke film die met deze methode wordt bereid, heeft de voordelen van eenvoudige apparatuur, snelle filmvorming, onbeperkte vorm van de geplateerde delen, uniforme en regelbare filmdikte, enz. De resulterende dikke film kan tientallen microns bereiken en de samenstelling is uniform en dicht.