Piezoelektriske materialer er funksjonelle materialer som realiserer konverteringen mellom mekanisk energi og elektrisk energi(2)

Metode for fremstilling av piezoelektrisk film

Forberedelsesmetodene for piezoelektriske tynne filmer er hovedsakelig tradisjonelle vakuumbeleggmetoder, inkludert vakuumfordampningsbelegg, sputterbelegg, kjemisk dampavsetningsbelegg er fremstilt i en tykkelse på 0 ~ 18μm, ny sol-gel-metode, hydrotermisk metode, elektroforetisk avsetningsmetode er tilberedt 10-100μm tykt filmmateriale.

Tykk piezoelektrisk film refererer vanligvis til en piezoelektrisk film  piezoelektrisk halvkulesvinger  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 Materialet 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 fordampningsprosessen inkludert kanteprosessen 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 dampkondensering, 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 piezo keramikk piezoelektrisk transduser vil forekomme direkte fra gassfasen til fast fase....

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.

① Motstandsvarmekilde: laget av ildfaste metaller som wolfram og tantal laget av båtfolie eller filament, passerer strøm for å varme opp fordampningsmaterialet over det eller plasseres i digelen (motstandsvarmekilde brukes hovedsakelig til å fordampe Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni og andre materialer.

② Høyfrekvent induksjonsvarmekilde: oppvarming av digelen og fordampende materiale med høyfrekvent induksjonsstrøm.

③ Elektronstrålevarmekilde: egnet for materialer med høy fordampningstemperatur (ikke mindre enn 2000), det vil si bombardere materialet med elektronstråle for å få det til å fordampe.

For å avsette en enkeltkrystallfilm med høy renhet, kan molekylær stråleepitaksi brukes. Jetovnen er utstyrt med en molekylær strålekilde. Når den varmes opp til en viss temperatur under ultrahøyt vakuum, vil den  piezo-skive transduserelementer  i ovnen er rettet mot substratet som en stråle av molekylær strømning. Substratet varmes opp til en viss temperatur, molekylene som er avsatt på substratet kan migrere, og krystallene dyrkes i rekkefølgen til substratgitteret. Den molekylære stråleepitaximetoden kan oppnå en enkelt krystallfilm av høy renhetsforbindelse med det nødvendige støkiometriske forholdet, og filmen vokser tregest. Hastigheten kan styres med 1 enkelt lag/sekund. Ved å kontrollere baffelen, kan enkelt piezokrystall tynne filmer med ønsket sammensetning og struktur lages nøyaktig. Molekylær stråleepitaksi er mye brukt til å produsere forskjellige optiske integrerte enheter og forskjellige supergitterstrukturfilmer

2. Vakuum sputtering belegg

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 det faste stoffet gå inn i vakuumet. Dette fenomenet kalles sputtering. Sputtering-fenomenet involverer en kompleks spredningsprosess og er ledsaget av ulike energioverføringsmekanismer.

Det antas generelt 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 mer forskning 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 målkatodeoverflaten, 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, forlenge og begrense bevegelsesbanen til elektroner, øke ioniseringshastigheten og øke belegghastigheten.

4. Ny løsningsgelmetode

Den nye sol-gel-metoden er å tilsette det tilberedte pulveret (samme sammensetning som solen) til solen, og deretter tilsette et bestemt organisk løsningsmiddel til løsningen som et dispergeringsmiddel, og tilsette andre organiske løsningsmidler for å justere viskositeten og pH til løsningen. Kontinuerlig ultralydvibrasjon sprer nanopulveret i løsningen, og oppnår til slutt en jevn pulverløsning, og legger den nødvendige filmen på underlaget ved 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 med høy renhet, og som ikke krever høytemperatursintring. 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

Hydrotermisk metode refererer til bruk av en vandig løsning som reaksjonsmedium i en 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.

Hydrotermisk fremstilling av tykke filmer har mange fordeler:

① Prosessen fullføres i væskefasen på en gang, og ingen varmebehandling etter krystallisering er nødvendig, og unngår dermed defekter som sprekker, kornforgrovning, reaksjon med underlaget eller atmosfæren som kan oppstå under varmebehandlingsprosessen;

② Uorganiske materialer brukes som forløpere, og vann brukes som reaksjonsmedium. Råvarene er lett tilgjengelige, noe som reduserer kostnadene for filmfremstilling og har mindre miljøforurensning;

③ Utstyret er enkelt, og temperaturen på hydrotermisk behandling er lav, noe som unngår interdiffusjon av filmen og substratkomponentene før og etter hydrotermisk behandling. Den resulterende filmen har høy renhet og god ensartethet. I tillegg, når denne metoden brukes til å fremstille tykke filmer, kan tykke filmer avsettes på underlagsoverflater med forskjellige komplekse former. De resulterende tykke filmene har visse fordeler med spontan polarisering, lav hysterese og god binding med underlag. . For tiden har denne metoden tiltrukket seg mer og mer oppmerksomhet.

6. Elektroforetisk avsetningsmetode

Elektroforetisk avsetning (EPD) refererer til å dispergere det forberedte fine pulveret med samme sammensetning som den tykke filmen i suspensjonen for å danne en suspensjon med forskjellige konsentrasjoner, og justere pH-verdien til suspensjonen med syre-baseløsning. Stabil suspensjon oppnås gjennom ultralydspredning og magnetisk omrøring, og under konstant trykk beveger de ladede partiklene seg retningsbestemt under påvirkning av det elektriske feltet, og får derved en tykk film med en viss tykkelse. Den tykke filmen fremstilt ved denne metoden har fordelene med enkelt utstyr, rask filmdannelse, ubegrenset form på de belagte delene, jevn og kontrollerbar filmtykkelse, etc. Den resulterende tykke filmen kan nå titalls mikron, og sammensetningen er jevn og tett.