Materiały piezoelektryczne to materiały funkcjonalne, które realizują konwersję energii mechanicznej na energię elektryczną(2)

Sposób wytwarzania folii piezoelektrycznej

Sposoby przygotowania cienkich warstw piezoelektrycznych to głównie tradycyjne metody powlekania próżniowego, w tym powlekanie przez odparowanie próżniowe, powlekanie napylaniem, powłoka poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej jest przygotowywana o grubości 0 ~ 18 μm, nowa metoda zol-żel, metoda hydrotermalna, metoda osadzania elektroforetycznego jest przygotowywany grubowarstwowy materiał piezoelektryczny o grubości 10-100 μm.

Gruba folia piezoelektryczna zwykle odnosi się do folii piezoelektrycznej  piezoelektryczny przetwornik półkulowy  o grubości od 10 do 100 µm. W porównaniu z cienką warstwą, jej właściwości piezoelektryczne i ferroelektryczne są w mniejszym stopniu zależne od granicy faz i powierzchni; ze względu na stosunkowo dużą grubość ten rodzaj materiału może również generować dużą siłę napędową i ma szerszą częstotliwość roboczą; w porównaniu z materiałem sypkim jego napięcie robocze jest niskie, częstotliwość użytkowania jest wysoka i jest kompatybilny z procesami półprzewodnikowymi.

1. Powłoka przez odparowanie próżniowe

Powłoka przez odparowanie próżniowe polega na odparowaniu substancji poprzez ogrzewanie i osadzeniu jej na stałej powierzchni, co nazywa się powłoką przez odparowanie. Metodę tę po raz pierwszy zaproponował M. Faradaya w 1857 roku, a modernizacja stała się jedną z powszechnie stosowanych technologii powlekania.

Powlekanie przez odparowanie próżniowe obejmuje trzy podstawowe procesy:

(1) Proces ogrzewania i parowania, w tym proces przejścia od fazy skondensowanej do fazy gazowej (faza stała lub faza ciekła → faza gazowa). Każda parująca substancja ma inną prężność pary nasyconej w różnych temperaturach. Podczas odparowywania związku jego składniki reagują, a część z nich przedostaje się do przestrzeni parowania w stanie gazowym lub w postaci pary.

(2) Transport odparowanych atomów lub cząsteczek pomiędzy źródłem parowania a podłożem oraz proces lotu tych przykładów w otaczającej atmosferze. Liczba zderzeń z cząsteczkami gazu resztkowego w komorze próżniowej podczas lotu zależy od średniej swobodnej drogi odparowanych atomów oraz odległości źródła parowania od podłoża, zwanej często odległością źródło-podstawa.

(3) Proces wytrącania odparowanych atomów lub cząsteczek na powierzchni podłoża oraz kondensacja pary, zarodkowanie, wzrost jąder i tworzenie ciągłego filmu. Ponieważ temperatura podłoża jest znacznie niższa od temperatury źródła parowania, proces przejścia fazowego cząsteczek osadu na powierzchni podłoża przetwornik piezoelektryczny z ceramiki piezoelektrycznej nastąpi bezpośrednio z fazy gazowej do fazy stałej....

Kiedy substancja paruje, ważne jest, aby znać prężność pary nasyconej, szybkość parowania i średnią drogę swobodną odparowanych cząsteczek. Istnieją trzy rodzaje źródeł parowania.

①Rezystancyjne źródło ogrzewania: wykonane z metali ogniotrwałych, takich jak wolfram i tantal, wykonane z folii łodziowej lub włókna ciągłego, przepuszczające prąd w celu ogrzania materiału parującego znajdującego się nad nim lub umieszczone w tyglu (rezystancyjne źródło ogrzewania służy głównie do odparowywania Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni i innych materiałów.

② Indukcyjne źródło ogrzewania o wysokiej częstotliwości: ogrzewanie tygla i parującego materiału prądem indukcyjnym o wysokiej częstotliwości.

③ Źródło ogrzewania wiązką elektronów: odpowiednie dla materiałów o wysokiej temperaturze parowania (nie mniej niż 2000), to znaczy bombarduj materiał wiązką elektronów, aby spowodować jego odparowanie.

Aby osadzić warstwę monokryształu o wysokiej czystości, można zastosować epitaksję z wiązek molekularnych. Piec strumieniowy wyposażony jest w źródło wiązki molekularnej. Po podgrzaniu do określonej temperatury w ultrawysokiej próżni,  Elementy przetwornika piezoelektrycznego  w piecu skierowane są w stronę podłoża w postaci wiązki przepływu molekularnego. Podłoże podgrzewa się do określonej temperatury, cząsteczki osadzone na podłożu mogą migrować, a kryształy rosną w kolejności siatki podłoża. Metodą epitaksji z wiązek molekularnych można uzyskać warstwę monokrystaliczną związku o wysokiej czystości o wymaganym stosunku stechiometrycznym, przy czym folia rośnie najwolniej. Prędkość można regulować w zakresie 1 pojedynczej warstwy/sekundę. Kontrolując przegrodę, można dokładnie wytworzyć cienkie folie z pojedynczego kryształu piezoelektrycznego o pożądanym składzie i strukturze. Epitaksja z wiązek molekularnych jest szeroko stosowana do produkcji różnych zintegrowanych urządzeń optycznych i różnych folii o strukturze supersieci

2. Powłoka metodą napylania próżniowego

Przykład o energii kinetycznej większej niż kilkaset elektronowoltów lub wiązka jonów bombarduje powierzchnię ciała stałego, tak że atomy znajdujące się blisko powierzchni ciała stałego uzyskują część energii padających cząstek i opuszczają ciało stałe, aby wejść do próżni. Zjawisko to nazywa się rozpylaniem. Zjawisko rozpylania obejmuje złożony proces rozpraszania, któremu towarzyszą różne mechanizmy przenoszenia energii.

Powszechnie uważa się, że proces ten to głównie tzw. proces kaskadowy zderzeń, czyli padające jony zderzają się elastycznie z atomami docelowymi, dzięki czemu atomy docelowe uzyskują wystarczającą energię, aby pokonać barierę potencjału utworzoną przez otaczające atomy i opuścić pierwotne położenie, a dalsze i pobliskie atomy zderzają się. Kiedy ta kaskada zderzeń dotrze do powierzchni atomu docelowego, tak że atomy uzyskają energię wyższą niż energia wiązania powierzchniowego, atomy te opuszczą powierzchnię atomu docelowego i wejdą w próżnię. Obecnie więcej badań nad powlekaniem przez napylanie katodowe dotyczy powlekania przez napylanie magnetronowe. Rozpylanie magnetronowe polega na wykonywaniu rozpylania z dużą prędkością pod niskim ciśnieniem i konieczne jest skuteczne zwiększenie szybkości jonizacji gazu. Wprowadzając pole magnetyczne na powierzchnię docelowej katody, pole magnetyczne wykorzystuje się do zatrzymania naładowanych cząstek w celu zwiększenia gęstości plazmy i zwiększenia szybkości rozpylania. Użyj zewnętrznego pola magnetycznego, aby wychwycić elektrony, wydłużyć i ograniczyć ścieżkę ruchu elektronów, zwiększyć szybkość jonizacji i zwiększyć szybkość powlekania.

4. Nowa metoda żelowa w roztworze

Nowa metoda zol-żel polega na dodaniu przygotowanego proszku (o takim samym składzie jak zol) do zolu, a następnie dodaniu do roztworu określonego rozpuszczalnika organicznego jako środka dyspergującego oraz dodaniu innych rozpuszczalników organicznych w celu dostosowania lepkości i pH roztworu. Ciągłe wibracje ultradźwiękowe powodują rozproszenie nanoproszku w roztworze, a ostatecznie uzyskanie jednolitego roztworu proszku i osadzenie wymaganej warstwy na podłożu metodą zol-żel. W tym procesie osadzania cząstki proszku działają jak kryształy zaszczepiające.

W ten sposób można wytworzyć grubą warstwę o grubości kilkudziesięciu mikronów. Pozwala uniknąć problemu pękania lub nawet odpadania folii spowodowanego grubą warstwą przygotowaną tradycyjną metodą zol-żel. Przygotowane składniki grubowarstwowe są równomiernie wymieszane i charakteryzują się wysoką czystością, nie wymagają spiekania w wysokiej temperaturze. Powstały gruby film jest kompatybilny z procesem przygotowania półprzewodników. Sprzęt jest prosty, koszt niski, a skład membrany można kontrolować, dlatego ta metoda jest obecnie częściej stosowana.

5. Metoda hydrotermalna

Metoda hydrotermalna polega na zastosowaniu roztworu wodnego jako ośrodka reakcji w specjalnie wykonanym zamkniętym naczyniu reakcyjnym (autoklawie). Ogrzewając naczynie reakcyjne, tworzy się środowisko reakcji o wysokiej temperaturze i ciśnieniu, w którym normalnie nierozpuszczalne lub nierozpuszczalne substancje ulegają rozpuszczeniu i rekrystalizacji. Gruba błona wytworzona tą metodą polega na stechiometrycznym wymieszaniu niektórych związków w grubowarstwowym składniku, który ma być przygotowany, w nasycony roztwór w określonym środowisku alkalicznym i dostosowaniu wartości PH. Następnie roztwór przenosi się do autoklawu i po pewnym czasie reakcji na podłożu można wyhodować określoną grubość.

Hydrotermiczne przygotowanie grubych filmów ma wiele zalet:

① Proces kończy się jednorazowo w fazie ciekłej i nie jest wymagana żadna obróbka cieplna po krystalizacji, co pozwala uniknąć takich defektów, jak pękanie, zgrubienie ziaren, reakcja z podłożem lub atmosferą, która może powstać podczas procesu obróbki cieplnej;

② Jako prekursory stosuje się materiały nieorganiczne, a jako środowisko reakcji stosuje się wodę. Surowce są łatwo dostępne, co zmniejsza koszty przygotowania folii i powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowiska;

③ Sprzęt jest prosty, a temperatura obróbki hydrotermalnej jest niska, co pozwala uniknąć wzajemnej dyfuzji składników folii i podłoża przed i po obróbce hydrotermalnej. Powstały film ma wysoką czystość i dobrą jednorodność. Ponadto, stosując tę ​​metodę do wytwarzania grubych folii, grube folie można osadzać na powierzchniach podłoża o różnych skomplikowanych kształtach. Powstałe grube folie mają pewne zalety w postaci spontanicznej polaryzacji, niskiej histerezy i dobrego wiązania z podłożami. . Obecnie metoda ta cieszy się coraz większym zainteresowaniem.

6. Metoda osadzania elektroforetycznego

Osadzanie elektroforetyczne (EPD) polega na zdyspergowaniu przygotowanego drobnego proszku o tym samym składzie co gruba warstwa w zawiesinie w celu utworzenia zawiesiny o różnych stężeniach i dostosowaniu wartości pH zawiesiny roztworem kwasowo-zasadowym. Stabilną zawiesinę uzyskuje się poprzez dyspersję ultradźwiękową i mieszanie magnetyczne, a pod stałym ciśnieniem naładowane cząstki poruszają się kierunkowo pod działaniem pola elektrycznego, uzyskując w ten sposób gruby film o określonej grubości. Gruba folia przygotowana tą metodą ma zalety prostego sprzętu, szybkiego tworzenia folii, nieograniczonego kształtu platerowanych części, jednolitej i kontrolowanej grubości folii itp. Powstała gruba folia może sięgać kilkudziesięciu mikronów, a skład jest jednolity i gęsty.