Materialele piezoelectrice sunt materiale funcționale care realizează conversia dintre energia mecanică și energia electrică(2)

Metoda de preparare a peliculei piezoelectrice

Metodele de preparare a peliculelor subțiri piezoelectrice sunt în principal metode tradiționale de acoperire în vid, inclusiv acoperire prin evaporare în vid, acoperire prin pulverizare, acoperirea chimică prin depunere de vapori este pregătită într-o grosime de 0 ~ 18μm, noua metodă sol-gel, metoda hidrotermală, metoda de depunere electroforetică este pregătită material de film gros 10-100μm.

Filmul piezoelectric gros se referă de obicei la un film piezoelectric  traductor piezoelectric emisfer  cu o grosime de 10 până la 100 μm. În comparație cu filmul subțire, proprietățile sale piezoelectrice și feroelectrice sunt mai puțin afectate de interfață și suprafață; din cauza grosimii sale relativ mari, acest tip de material poate genera, de asemenea, o forță motrice mare și are o frecvență de operare mai largă; în comparație cu materialul în vrac, tensiunea de funcționare a acestuia este scăzută, frecvența de utilizare este mare și este compatibil cu procesele semiconductoare.

1. Acoperire prin evaporare în vid

Acoperirea prin evaporare în vid este de a evapora o substanță prin încălzire și de a o depune pe o suprafață solidă, care se numește acoperire de evaporare. Această metodă a fost propusă pentru prima dată de M. Faraday în 1857, iar modernizarea a devenit una dintre tehnologiile de acoperire utilizate în mod obișnuit.

Acoperirea prin evaporare sub vid include următoarele trei procese de bază:

(1) Procesul de încălzire și evaporare, inclusiv procesul de margine de la faza condensată la faza gazoasă (fază solidă sau fază lichidă → fază gazoasă). Fiecare substanță care se evaporă are o presiune diferită a vaporilor saturați la diferite temperaturi. La evaporarea unui compus, componentele acestuia reacţionează, iar unele dintre ele intră în spaţiul de evaporare în stare gazoasă sau vapori.

(2) Transportul atomilor sau moleculelor vaporizate între sursa de evaporare și substrat și procesul de zbor al acestor exemple în atmosfera ambiantă. Numărul de ciocniri cu moleculele de gaz rezidual din camera de vid în timpul zborului depinde de calea liberă medie a atomilor evaporați și de distanța de la sursa de evaporare la substrat, numită adesea distanța sursă-bază.

(3) Procesul de precipitare a atomilor sau moleculelor vaporizate pe suprafața substratului și condensarea vaporilor, nuclearea, creșterea nucleară și formarea unui film continuu. Deoarece temperatura substratului este mult mai mică decât temperatura sursei de evaporare, procesul de tranziție de fază a moleculelor de depozit pe suprafața substratului traductorul piezoelectric din ceramică piezoelectrică va apărea direct din faza gazoasă în faza solidă....

Când o substanță se evaporă, este important să se cunoască presiunea vaporilor saturați, viteza de evaporare și calea liberă medie a moleculelor evaporate. Există trei tipuri de surse de evaporare.

①Sursă de încălzire cu rezistență: realizată din metale refractare, cum ar fi wolfram și tantal, din folie sau filament de barcă, care trece curent pentru a încălzi materialul de evaporare deasupra acestuia sau plasată în creuzet (sursa de încălzire cu rezistență este utilizată în principal pentru a evapora Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni și alte materiale.

② Sursă de încălzire prin inducție de înaltă frecvență: încălzirea creuzetului și evaporarea materialului cu curent de inducție de înaltă frecvență.

③ Sursă de încălzire cu fascicul de electroni: potrivită pentru materiale cu temperatură de evaporare ridicată (nu mai puțin de 2000), adică bombardează materialul cu fascicul de electroni pentru a-l face să se evapore.

Pentru a depune un film monocristal de înaltă puritate, se poate folosi epitaxia cu fascicul molecular. Cuptorul cu jet este echipat cu o sursă de fascicul molecular. Când este încălzit la o anumită temperatură sub vid ultra-înalt,  Elementele traductoare piezo-disc  din cuptor sunt îndreptate spre substrat ca un fascicul de flux molecular. Substratul este încălzit la o anumită temperatură, moleculele depuse pe substrat pot migra, iar cristalele sunt crescute în ordinea rețelei substratului. Metoda epitaxiei cu fascicul molecular poate obține un singur film cristalin de compus de înaltă puritate cu raportul stoechiometric necesar, iar filmul crește cel mai lent. Viteza poate fi controlată la 1 singur strat/secundă. Prin controlul deflectorului, se pot realiza cu precizie pelicule subțiri de un singur piezocristal cu compoziția și structura dorită. Epitaxia fasciculului molecular este utilizată pe scară largă pentru a fabrica diverse dispozitive optice integrate și diferite filme cu structură superlatice.

2. Acoperire prin pulverizare prin vid

Un exemplu cu o energie cinetică de peste câteva sute de electroni volți sau un fascicul de ioni bombardează suprafața solidă, astfel încât atomii apropiați de suprafața solidă obțin o parte din energia particulelor incidente și lasă solidul să intre în vid. Acest fenomen se numește pulverizare. Fenomenul sputtering implică un proces complex de împrăștiere și este însoțit de diverse mecanisme de transfer de energie.

În general, se crede că acest proces este în principal așa-numitul proces în cascadă de coliziune, adică ionii incidenti se ciocnesc elastic cu atomii țintă, astfel încât atomii țintă să obțină suficientă energie pentru a depăși bariera potențială formată de atomii din jur și a părăsi poziția inițială, iar atomii mai departe și din apropiere se ciocnesc. Când această cascadă de coliziune ajunge la suprafața atomului țintă, astfel încât atomii să obțină energie mai mare decât energia de legare la suprafață, acești atomi vor părăsi suprafața atomului țintă și vor intra într-un vid. Acum, mai multe cercetări privind acoperirea prin pulverizare prin pulverizare sunt acoperirea prin pulverizare prin magnetron. Pulverizarea cu magnetron este să efectueze pulverizarea de mare viteză la presiune scăzută și este necesară creșterea eficientă a ratei de ionizare a gazului. Prin introducerea unui câmp magnetic pe suprafața catodului țintă, câmpul magnetic este utilizat pentru a reține particulele încărcate pentru a crește densitatea plasmei pentru a crește rata de pulverizare. Utilizați un câmp magnetic extern pentru a captura electroni, extinde și restrânge calea de mișcare a electronilor, crește rata de ionizare și crește rata de acoperire.

4. Noua metoda de gel in solutie

Noua metodă sol-gel este să adăugați pulberea preparată (aceeași compoziție ca și soluția) în sol, apoi adăugați un anumit solvent organic în soluție ca dispersant și adăugați alți solvenți organici pentru a ajusta vâscozitatea și pH-ul soluției. Vibrația ultrasonică continuă dispersează nano-pulberea în soluție și în cele din urmă obține o soluție de pulbere uniformă și depune filmul necesar pe substrat prin metoda sol-gel. În acest proces de depunere, particulele de pulbere acționează ca cristale de semințe.

În acest fel, se poate produce o peliculă groasă cu o grosime de zeci de microni. Evită problema crăpăturii sau chiar a călcării peliculei cauzată de pelicula groasă preparată prin metoda tradițională sol-gel. Componentele de peliculă groasă pregătite sunt amestecate uniform și cu puritate ridicată și nu necesită sinterizare la temperatură înaltă. Filmul gros rezultat este compatibil cu procesul de preparare a semiconductorilor. Și echipamentul este simplu, costul este scăzut și compoziția membranei poate fi controlată, astfel încât această metodă este utilizată în prezent mai des.

5. Metoda hidrotermală

Metoda hidrotermală se referă la utilizarea unei soluții apoase ca mediu de reacție într-un vas special de reacție închis (autoclavă). Prin încălzirea vasului de reacție, se creează un mediu de reacție la temperatură înaltă, de înaltă presiune, astfel încât substanțele în mod normal insolubile sau insolubile sunt dizolvate și recristalizate. Pelicula groasă preparată prin această metodă constă în amestecarea stoechiometrică a unor compuși din componenta film groasă care urmează să fie preparată într-o soluție saturată într-un anumit mediu alcalin și ajustarea valorii PH. După aceea, soluția este transferată într-o autoclavă și o anumită grosime poate fi crescută pe substrat după un anumit timp de reacție.

Prepararea hidrotermală a peliculelor groase are multe avantaje:

① Procesul este finalizat în fază lichidă odată și nu este necesar un tratament termic post-cristalizare, evitându-se astfel defecte precum fisurarea, îngroșarea boabelor, reacția cu substratul sau atmosfera care pot fi cauzate în timpul procesului de tratament termic;

②Materiale anorganice sunt folosite ca precursori, iar apa este folosită ca mediu de reacție. Materiile prime sunt ușor disponibile, ceea ce reduce costul de pregătire a filmului și are mai puțină poluare a mediului;

③ Echipamentul este simplu, iar temperatura tratamentului hidrotermal este scăzută, ceea ce evită interdifuzia filmului și a componentelor substratului înainte și după tratamentul hidrotermal. Filmul rezultat are puritate ridicată și uniformitate bună. În plus, atunci când această metodă este utilizată pentru a pregăti pelicule groase, peliculele groase pot fi depuse pe suprafețele substratului de diferite forme complexe. Filmele groase rezultate au anumite avantaje de polarizare spontană, histerezis scăzut și lipire bună cu substraturile. . În prezent, această metodă a atras din ce în ce mai multă atenție.

6. Metoda depunerii electroforetice

Depunerea electroforetică (EPD) se referă la dispersarea pulberii fine preparate cu aceeași compoziție ca și pelicula groasă din suspensie pentru a forma o suspensie cu concentrații diferite și ajustarea valorii pH a suspensiei cu soluție acido-bazică. Suspensia stabilă se obține prin dispersie ultrasonică și agitare magnetică, iar sub presiune constantă, particulele încărcate se deplasează direcțional sub acțiunea câmpului electric, obținându-se astfel o peliculă groasă cu o anumită grosime. Pelicula groasă preparată prin această metodă are avantajele unui echipament simplu, formarea rapidă a peliculei, forma nelimitată a pieselor placate, grosimea filmului uniformă și controlabilă etc. Pelicula groasă rezultată poate ajunge la zeci de microni, iar compoziția este uniformă și densă.