Piezoelektriske keramiske materialer er funksjonelle materialer som realiserer konverteringen mellom mekanisk energi og elektrisk energi (1)

Piezoelektriske materialer er funksjonelle materialer som realiserer konverteringen mellom mekanisk energi og elektrisk energi. Utviklingen har en lang historie. Siden oppdagelsen av den piezoelektriske effekten på kvartskrystaller av CURIE-brødrene på 1880-tallet, har piezoelektriske materialer vakt stor oppmerksomhet. Med fordypningen av forskningen har et stort antall piezoelektriske materialer, som piezoelektriske funksjonelle keramiske materialer, piezofilm, piezoelektriske komposittmaterialer, etc. Disse materialene har et veldig bredt spekter av bruksområder, og spiller en viktig rolle i funksjonelle konverteringsenheter som elektrisitet, magnetisme, lyd, lys, varme, fuktighet, gass og kraft.

PVDF piezoelektrisk film
PVDF piezoelektrisk film er polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. I 1969 oppdaget japanerne polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) referert til som PVDF, som har en veldig sterk piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har hovedsakelig to piezokrystalltyper, nemlig α-type og β-type. α-type piezokrystallen har ikke piezoelektrisitet, men etter at PVDF-filmen er rullet og strukket, blir den originale α-typekrystallen i filmen en β-type krystallstruktur. Når den strakte og polariserte PVDF-filmen utsettes for ytre kraft eller deformasjon i en bestemt retning, ultralydnivåtransduser vil den polariserte overflaten av filmen generere en viss elektrisk ladning, det vil si den piezoelektriske effekten.

Sammenlignet med piezoelektrisk keramikk og piezoelektriske krystaller har piezoelektriske filmer følgende fordeler:

(1) Lett vekt, dens tetthet er bare en fjerdedel av den vanlige piezoelektriske keramiske PZT, limt på måleobjektet har nesten ingen effekt på den opprinnelige strukturen, høy elastisk fleksibilitet, kan behandles til en bestemt form. Måleoverflaten er fullstendig utstyrt, med høy mekanisk styrke og slagmotstand;
(2) Høyspenningsutgang, under de samme stressforholdene, er utgangsspenningen 10 ganger høyere enn piezoelektrisk keramikk;
(3) Høy dielektrisk styrke som kan motstå effekten av sterkt elektrisk felt (75V / um), på dette tidspunktet har de fleste piezoelektriske keramiske materialer blitt depolarisert;
(4) Den akustiske impedansen er lav, bare en tiendedel av den piezoelektriske keramiske PZT, nær vann, menneskelig vev og viskøs kropp;
(5) Frekvensresponsen er bred, og den elektromekaniske effekten kan konverteres fra 10-3Hz til 109, og vibrasjonsmodusen er enkel.

Piezofilmegenskaper
1. Dielektrisk konstant
Selv om den piezoelektriske filmen er en enkeltkrystallfilm eller en polykrystallinsk film med foretrukket orientering, er ikke atompakningen i den så tett og ordnet som i krystallen, så den dielektriske konstantverdien til den piezoelektriske filmen er forskjellig fra verdien til krystallen . I tillegg til dette er det ofte store interne restspenninger i filmen og årsakene til målingen, som også gjør at den dielektriske konstantverdien til filmen er forskjellig fra den tilsvarende verdien til krystallen.
Eksisterende studier har vist at den dielektriske konstanten til den piezoelektriske filmen ikke bare er relatert til krystallorienteringen, men også avhenger av testforholdene. Den dielektriske konstanten til den piezoelektriske filmen har en betydelig spredning. I tillegg til forskjellen i indre spenninger og testbetingelser, antas forskjellen mellom det kjemiske sammensetningsforholdet og filmtykkelsen til filmsammensetningen generelt å avta med filmens tykkelse. Tynn og liten. I tillegg vil den dielektriske konstanten til den piezoelektriske tynnfilmen også endre seg betydelig med temperatur og frekvens.

2. Volumresistivitet
Fra perspektivet om å redusere det dielektriske tapet og relaksasjonsfrekvensen til den piezoelektriske filmen, forventes det at den har en meget høy resistivitet, minst ρv≥108Ω • cm. Motstanden til AlN-film er 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, som er mye høyere enn 108Ω · cm, så i denne forbindelse er AlN en veldig utmerket film. I tillegg følger endringen i elektrisk ledningsevne til AlN piezoelektriske filmer med temperatur også 1nσ∝1 / T-loven. Ingen av krystallene med piezoelektrisk effekt har et symmetrisenter, så deres elektronmobilitet er også anisotropisk og deres elektriske ledningsevne er også forskjellig. Konduktiviteten til den AlN piezoelektriske filmen langs C-aksens retning er forskjellig fra retningen vinkelrett på C-aksen. Førstnevnte er omtrent 1 til 2 størrelsesordener mindre.

3. Tapsvinkeltangens
Den dielektriske tapstangensen til den AlN piezoelektriske filmen er tanδ = 0,003 ～ 0,005, og tanδ til ZnO-filmen er større, som er 0,005 ～ 0,01. Grunnen til at tanδ til disse filmene er så stor er at i tillegg til konduktansprosessen, har disse filmene også betydelige avspenningsfenomener. I likhet med den dielektriske tynnfilmen øker tan δ til den piezoelektriske tykke filmen gradvis med økningen av temperatur og frekvens og økning i fuktighet. I tillegg, når filmtykkelsen avtar, har tan δ en tendens til å øke. Økningen i tan δ med temperaturen er åpenbart på grunn av økningen i konduktans og økningen i relaxorer. Den øker med frekvensen fordi antall avslapningstider over tid øker.

4. Nedbrytningsstyrke
Fordi den dielektriske nedbrytningsfeltstyrken tilhører styrkeparameteren, og ulike defekter er uunngåelige i filmen, har nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen betydelig spredning; den dielektriske nedbrytningsteorien. Nedbrytningsfeltstyrken bør gradvis øke ettersom filmtykkelsen avtar. Men faktisk, fordi filmen inneholder mange defekter, er effekten av defekten mer betydelig ettersom tykkelsen er mindre, så når tykkelsen reduseres til en viss verdi, blir nedbrytningsfeltstyrken til filmen kraftig mindre. Nedbrytningsfeltstyrken til filmen, i tillegg til årsakene til selve filmen, har også påvirkning av kanten av elektroden under testen. Siden jo tykkere filmen er, desto mer ujevn er det elektriske feltet ved kanten av elektroden, slik at etter hvert som filmtykkelsen øker, avtar dens nedbrytningsfeltstyrke gradvis. I tillegg til de ovennevnte faktorene, avhenger nedbrytningsfeltstyrken til den dielektriske filmen også av filmstrukturen. For den piezoelektriske filmen avhenger nedbrytningsfeltstyrken også av retningen til det elektriske feltet, det vil si at den også er anisotropisk i nedbrytningsfeltstyrken. På grunn av eksistensen av korngrenser i den polykrystallinske filmen, er dens nedbrytningsfeltstyrke lavere enn den for den amorfe filmen; av lignende grunner er nedbrytningsfeltstyrken til den fortrinnsvis orienterte piezoelektriske filmen i kornorienteringsretningen høyere enn den i vinkelrett retning. Nedbrytningsfeltstyrken er lavere.

Som andre dielektriske filmer, avhenger nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen også av noen eksterne faktorer, som spenningsbølgeform, frekvens, temperatur og elektroder. Fordi nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen er relatert til mange faktorer, for den samme filmen, er nedbrytningsfeltstyrkeverdiene rapportert i den relevante litteraturen ofte inkonsekvente, og varierer til og med mye. For eksempel er nedbrytningsfeltstyrken til ZnO-filmen 0,01 ~ 0,4 MV / cm, AlN-filmen er 0,5 ~ 6,0 MV / cm.

5. Bulk akustisk bølgeytelse
De viktigste karakteristiske parametrene for bulk akustiske bølge piezoelektriske transdusere er resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za og elektromekanisk koblingskoeffisient K, så lydhastigheten υ og temperaturkoeffisienten til piezoelektrisk film, akustisk impedans og elektromekanisk er spesielt strenge koblingskoeffisienter. Disse egenskapene til filmen avhenger ikke bare av elastisiteten, dielektriske, piezoelektriske og termiske egenskapene til krystallkornene i filmen, men er også nært knyttet til strukturen til den piezoelektriske filmen slik som graden av kompakthet til kornene og graden av foretrukket orientering. I den piezoelektriske filmen, på grunn av defektene og belastningen til krystallkornet, er det ikke en perfekt enkeltkrystall, så den fysiske konstanten til filmen er litt forskjellig fra krystallverdien. Fordi strukturen til den piezoelektriske filmen er nært knyttet til forberedelsesprosessen, selv for den samme piezoelektriske filmen, er ytelsesverdiene rapportert i de forskjellige litteraturene ofte inkonsekvente. Blant alle uorganiske ikke-jernholdige piezoelektriske filmer har AlN-filmen en stor elastisk konstant, men lav tetthet og høyest lydhastighet. Derfor er filmen mest egnet for UHF- og mikrobølgeapparater.

6. Overflateakustisk bølgeytelse
Når den akustiske overflatebølgen forplanter seg i piezoelektrisk sylinderomformer , dens partikkelforskyvningsamplitude dempes raskt når avstanden fra overflaten til mediet øker, så den akustiske overflatebølgeenergien er hovedsakelig konsentrert i de neste to bølgelengdene på overflaten. Den akustiske overflatebølgeytelsen til filmmaterialet kan uttrykkes som følgende funksjonelle formel: overflateakustiske bølgeytelse = F (råmateriale, substrat, filmstruktur, bølgemodus, forplantningsretning, interdigital elektrodeform, tykkelsesbølgetallprodukt) En tabell over lydbølgeytelsesparametere kan ikke representeres med en enkelt verdi. En annen akustisk bølgeegenskap til piezoelektriske filmer er overføringstap. Fordi piezoelektriske filmer ofte brukes som akustiske overføringsmedier i overflatebølgeenheter, er kilden til overføringstap hovedsakelig spredning av akustiske bølger i den piezoelektriske filmen og underlaget.

Metode for fremstilling av piezoelektrisk film
Forberedelsesmetodene for piezoelektriske tynne filmer inkluderer hovedsakelig tradisjonelle vakuumbeleggingsmetoder, inkludert vakuumfordampningsbelegg, forstøvningsbelegg og kjemisk dampavsetningsbelegg med en tykkelse på 0-18 μm, og ny sol-gel-metode, hydrotermisk metode og elektroforetisk filmmateriale 100 μlectrisk avsetningsmetode 100 ～ 100m.
Tykk piezoelektrisk film refererer vanligvis til en piezoelektrisk film med en tykkelse på 10 til 100 μm. Sammenlignet med den tynne filmen er dens piezoelektriske og ferroelektriske egenskaper mindre påvirket av grensesnittet og overflaten; på grunn av sin relativt store tykkelse, kan denne typen PZT-materiale også generere en stor drivkraft, og har en bredere driftsfrekvens; Sammenlignet med bulkmaterialet er driftsspenningen lav, bruksfrekvensen er høy og den er kompatibel med halvlederprosesser.

1. Vakuumfordampningsbelegg
Vakuumfordampningsbelegg er å fordampe et stoff ved oppvarming og avsette det på en fast overflate, som kalles fordampningsbelegg. Denne metoden ble først foreslått av M. Faraday i 1857, og modernisering har blitt en av de mest brukte belegningsteknologiene.
Vakuumfordampningsbelegg inkluderer følgende tre grunnleggende prosesser:
(1) Oppvarmings- og fordampningsprosess, inkludert kanteprosessen med å skifte fra kondensert fase til gassfase (fast fase eller flytende fase → gassfase). Hvert fordampende stoff har et forskjellig mettet damptrykk ved forskjellige temperaturer. Når en forbindelse fordampes, reagerer dens komponenter, og noen av dem kommer inn i fordampningsrommet i gassform eller damp.
(2) Transporten av fordampede atomer eller molekyler mellom fordampningskilden og substratet, og flyprosessen til disse eksemplene i den omgivende atmosfæren. Antall kollisjoner med gjenværende gassmolekyler i vakuumkammeret under flyging avhenger av den gjennomsnittlige frie banen til de fordampede atomene og avstanden fra fordampningskilden til substratet, ofte kalt kilde-base-avstanden.
(3) Utfellingsprosessen av fordampede atomer eller molekyler på overflaten av substratet, og dampkondensasjon, kjernedannelse, kjernevekst og dannelse av en kontinuerlig film. Siden temperaturen på substratet er mye lavere enn temperaturen til fordampningskilden, vil faseovergangsprosessen til avsetningsmolekylene på substratoverflaten skje direkte fra gassfasen til den faste fasen.
Når et stoff fordamper, er det viktig å vite det mettede damptrykket, fordampningshastigheten og den gjennomsnittlige frie banen til de fordampede molekylene. Det finnes tre typer fordampningskilder.

2. Vakuumforstøvningsbelegg
Et eksempel med en kinetisk energi på mer enn noen hundre elektronvolt eller en ionestråle bombarderer den faste overflaten, slik at atomene nær den faste overflaten får en del av energien til de innfallende partiklene og lar faststoffet gå inn i vakuumet. Dette fenomenet kalles sputtering. Sputtering-fenomenet involverer en kompleks spredningsprosess og er ledsaget av ulike energioverføringsmekanismer. Det er generelt antatt at denne prosessen hovedsakelig er den såkalte kollisjonskaskadeprosessen, det vil si at de innfallende ionene kolliderer elastisk med målatomene, slik at målatomene får tilstrekkelig energi til å overvinne den potensielle barrieren som dannes av de omkringliggende atomene og forlate den opprinnelige posisjonen, og ytterligere og nærliggende atomer kolliderer. Når denne kollisjonskaskaden når overflaten av målatomet slik at atomene får energi høyere enn overflatebindingsenergien, vil disse atomene forlate overflaten av målatomet og gå inn i et vakuum. Nå er flere undersøkelser på sputterbelegg magnetronforstøvningsbelegg. Magnetronsputtering er å utføre høyhastighetssputtering under lavt trykk, og det er nødvendig å effektivt øke ioniseringshastigheten til gassen. Ved å introdusere et magnetisk felt på overflaten av målkatoden, brukes magnetfeltet til å begrense de ladede partiklene for å øke plasmatettheten for å øke sputterhastigheten. Bruk et eksternt magnetfelt for å fange opp elektroner, utvide og begrense bevegelsesbanen til elektroner, øke ioniseringshastigheten og øke belegghastigheten.

3. Kjemisk dampavsetningsbelegg
Kjemisk dampavsetning er en kjemisk dampvekstmetode, referert til som CVD-teknologi (Chemical Vapour Deposition). I denne metoden tilføres elementgassen som inneholder en eller flere forbindelser som utgjør tynnfilmelementet til substratet, og den nødvendige tynne filmen dannes ved gassfase eller kjemisk reaksjon på overflaten av substratet ved å bruke energikilder som oppvarming, plasma, ultrafiolett lys eller til og med laserlys. Siden CVD-metoden bruker ulike gassreaksjoner for å forberede den tynne filmen, kan sammensetningen av den tynne filmen styres vilkårlig, slik at mange nye filmmaterialer kan produseres. Når CVD-metoden brukes til å fremstille en tynn film, er dens veksttemperatur betydelig lavere enn smeltepunktet til tynnfilmbestanddelen, det resulterende filmlaget har god jevnhet, har trinndekning og er egnet for underlag med komplekse former. På grunn av fordelene som høy avsetningshastighet, få pinholes, høy renhet, kompakthet og få krystalldannende defekter, er bruksområdet for kjemisk dampavsetning veldig bredt. CVD-metoden kan brukes til å fremstille piezoelektriske tykke filmmaterialer med tett, glatt overflate, tykkelse på 0 ~ 18μm og utmerket ytelse. Derfor, ved fremstilling av piezoelektriske tykke filmer, har CVD-metoden utviklet seg raskt og har blitt tatt i bruk av mange forskere.

4. Ny løsningsgelmetode
Den nye sol-gelmetoden er å tilsette det tilberedte pulveret (samme sammensetning som solen) til solen, deretter tilsette et bestemt organisk løsningsmiddel til løsningen som et dispergeringsmiddel, tilsette andre organiske løsningsmidler for å justere viskositeten og pH til løsningen, og til slutt ikke kontinuerlig ultralydvibrasjon sprer nanopulverene i løsningen, og til slutt oppnår en jevn pulverløsning. Den nødvendige filmen avsettes på underlaget ved hjelp av sol-gel-metoden. I denne avsetningsprosessen fungerer pulverpartiklene som frøkrystaller.
På denne måten kan det produseres en tykk film med en tykkelse på titalls mikron. Den unngår problemet med sprekker eller til og med filmavgivelse forårsaket av den tykke filmen fremstilt med den tradisjonelle sol-gel-metoden. De tilberedte tykkfilmkomponentene er jevnt blandet og høy i renhet, og krever ikke høytemperatursintring, og den resulterende tykke filmen er kompatibel med halvlederfremstillingsprosessen. Og utstyret er enkelt, kostnadene er lave, og membransammensetningen kan kontrolleres, så denne metoden brukes for tiden oftere.

5. Hydrotermisk metode
Den hydrotermiske metoden refererer til bruk av en vandig løsning som reaksjonsmedium i et spesiallaget lukket reaksjonsbeholder (autoklav). Ved å varme opp reaksjonskaret skapes et høytemperatur- og høytrykksreaksjonsmiljø, slik at normalt uløselige eller uløselige stoffer løses opp og omkrystalliseres. Den tykke filmen fremstilt ved denne metoden er å støkiometrisk blande noen forbindelser i den tykke filmkomponenten som skal fremstilles til en mettet løsning i et bestemt alkalisk medium og justere PH-verdien. Etter det overføres løsningen til en autoklav, og en viss tykkelse kan dyrkes på underlaget etter en viss reaksjonstid.