Piezoelektriska keramiska material är funktionella material som realiserar omvandlingen mellan mekanisk energi och elektrisk energi (1)

Piezoelektriska material är funktionella material som realiserar omvandlingen mellan mekanisk energi och elektrisk energi. Dess utveckling har en lång historia. Sedan CURIE-bröderna upptäckte den piezoelektriska effekten på kvartskristaller på 1880-talet har piezoelektriska material väckt stor uppmärksamhet. Med fördjupningen av forskningen har ett stort antal piezoelektriska material, såsom piezoelektriska funktionella keramiska material, piezofilm, piezoelektriska kompositmaterial, etc. Dessa material har ett mycket brett användningsområde och spelar en viktig roll i funktionella omvandlingsanordningar som elektricitet, magnetism, ljud, ljus, värme, fuktighet, gas och kraft.

PVDF piezoelektrisk film
PVDF piezoelektrisk film är polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. 1969 upptäckte japanerna polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) kallat PVDF, som har en mycket stark piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har huvudsakligen två piezokristalltyper, nämligen α-typ och β-typ. Piezokristallen av α-typ har inte piezoelektricitet, men efter att PVDF-filmen har rullats och sträckts, blir den ursprungliga kristallen av α-typ i filmen en kristallstruktur av β-typ. När den sträckta och polariserade PVDF-filmen utsätts för yttre kraft eller deformation i en viss riktning, ultraljudsnivågivare kommer den polariserade ytan av filmen att generera en viss elektrisk laddning, det vill säga den piezoelektriska effekten.

Jämfört med piezoelektrisk keramik och piezoelektriska kristaller har piezoelektriska filmer följande fördelar:

(1) Lätt vikt, dess densitet är bara en fjärdedel av den vanliga piezoelektriska keramiska PZT, klistrad på mätobjektet har nästan ingen effekt på den ursprungliga strukturen, hög elastisk flexibilitet, kan bearbetas till en specifik form Mätytan är helt försedd, med hög mekanisk styrka och slaghållfasthet;
(2) Högspänningsutgång, under samma stressförhållanden är utspänningen 10 gånger högre än piezoelektrisk keramik;
(3) Hög dielektrisk hållfasthet som kan motstå effekten av ett starkt elektriskt fält (75V / um), vid denna tidpunkt har de flesta piezoelektriska keramer depolariserats;
(4) Den akustiska impedansen är låg, endast en tiondel av den piezoelektriska keramiska PZT, nära vatten, mänsklig vävnad och trögflytande kropp;
(5) Frekvenssvaret är brett, och den elektromekaniska effekten kan omvandlas från 10-3Hz till 109, och vibrationsläget är enkelt.

Piezofilmegenskaper
1. Dielektrisk konstant
Även om den piezoelektriska filmen är en enkristallfilm eller en polykristallin film med föredragen orientering, är atompackningen i den inte lika tät och ordnad som i kristallen, så det dielektriska konstantvärdet för den piezoelektriska filmen skiljer sig från kristallens värde. Utöver detta finns det ofta stora inre restspänningar i filmen och orsakerna till mätningen, vilket också gör att filmens dielektriska konstantvärde skiljer sig från motsvarande värde på kristallen.
Befintliga studier har visat att den piezoelektriska filmens dielektriska konstant inte bara är relaterad till kristallorienteringen utan också beror på testförhållandena. Den piezoelektriska filmens dielektriska konstant har en avsevärd dispersion. Förutom skillnaden i inre spänningar och testförhållanden, antas skillnaden mellan förhållandet mellan den kemiska sammansättningen och filmkompositionens filmtjocklek i allmänhet minska med filmens tjocklek. Tunn och liten. Dessutom kommer den dielektriska konstanten för den piezoelektriska tunna filmen också att förändras avsevärt med temperatur och frekvens.

2. Volymresistivitet
Ur perspektivet att minska den dielektriska förlusten och relaxationsfrekvensen för den piezoelektriska filmen förväntas den ha en mycket hög resistivitet, åtminstone ρv≥108Ω • cm. Resistansen för AlN-film är 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, vilket är mycket högre än 108Ω · cm, så i detta avseende är AlN en mycket utmärkt film. Dessutom följer förändringen i elektrisk ledningsförmåga hos AlN piezoelektriska filmer med temperaturen också 1nσ∝1 / T-lagen. Ingen av kristallerna med piezoelektrisk effekt har ett symmetricentrum, så deras elektronrörlighet är också anisotropisk och deras elektriska ledningsförmåga är också annorlunda. Konduktiviteten hos den piezoelektriska AlN-filmen längs C-axelns riktning skiljer sig från riktningen vinkelrät mot C-axeln. Den förra är cirka 1 till 2 storleksordningar mindre.

3. Förlustvinkeltangens
Den dielektriska förlusttangensen för den AlN piezoelektriska filmen är tanδ = 0,003 ～ 0,005, och tanδ för ZnO-filmen är större, vilket är 0,005 ～ 0,01. Anledningen till att tanδ hos dessa filmer är så stor är att förutom konduktansprocessen har dessa filmer också betydande avslappningsfenomen. I likhet med den dielektriska tunna filmen ökar tan δ för den piezoelektriska tjocka filmen gradvis med ökningen av temperatur och frekvens och ökningen av fuktighet. Dessutom, när filmtjockleken minskar, tenderar tan 5 att öka. Uppenbarligen beror ökningen av tan δ med temperaturen på ökningen i konduktans och ökningen av relaxorer. Den ökar med frekvensen eftersom antalet avslappningstider i tiden ökar.

4. Nedbrytningsstyrka
Eftersom den dielektriska genombrottsfältstyrkan tillhör hållfasthetsparametern, och olika defekter är oundvikliga i filmen, har den piezoelektriska filmens genombrottsfältstyrka avsevärd spridning; teorin om dielektrisk nedbrytning. Nedbrytningsfältstyrkan bör gradvis öka när filmtjockleken minskar. Men i själva verket, eftersom filmen innehåller många defekter, är effekten av defekten mer signifikant eftersom tjockleken är mindre, så när tjockleken reduceras till ett visst värde blir filmens nedbrytningsfältstyrka kraftigt mindre. Filmens nedbrytningsfältstyrka, förutom orsakerna till själva filmen, har också inverkan av elektrodens kant under testet. Eftersom ju tjockare filmen är, desto ojämnare blir det elektriska fältet vid elektrodens kant, så när filmtjockleken ökar minskar dess nedbrytningsfältstyrka gradvis. Förutom ovanstående faktorer beror nedbrytningsfältstyrkan hos den dielektriska filmen också på filmstrukturen. För den piezoelektriska filmen beror nedbrytningsfältstyrkan också på det elektriska fältets riktning, det vill säga den är också anisotropisk i nedbrytningsfältstyrkan. På grund av förekomsten av korngränser i den polykristallina filmen är dess nedbrytningsfältstyrka lägre än den för den amorfa filmen; av liknande skäl är nedbrytningsfältstyrkan för den föredraget orienterade piezoelektriska filmen i kornorienteringsriktningen högre än den i den vinkelräta riktningen. Nedbrytningsfältstyrkan är lägre.

Liksom andra dielektriska filmer beror nedbrytningsfältstyrkan hos den piezoelektriska filmen också på vissa externa faktorer, såsom spänningsvågform, frekvens, temperatur och elektroder. Eftersom nedbrytningsfältstyrkan för den piezoelektriska filmen är relaterad till många faktorer, för samma film, är värdena för nedbrytningsfältstyrka som rapporteras i den relevanta litteraturen ofta inkonsekventa och varierar till och med mycket. Till exempel är nedbrytningsfältstyrkan för ZnO-filmen 0,01 ~ 0,4 MV / cm, AlN-film är 0,5 ~ 6,0 MV / cm.

5. Bulk akustisk vågprestanda
De viktigaste karakteristiska parametrarna för bulk akustisk våg piezoelektriska givare är resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za och elektromekanisk kopplingskoefficient K, så ljudhastigheten υ och temperaturkoefficienten för piezoelektrisk film, akustisk impedans och elektromekanisk koefficient är särskilt strikta. Dessa egenskaper hos filmen beror inte bara på elasticiteten, dielektriska, piezoelektriska och termiska egenskaperna hos kristallkornen i filmen, utan är också nära relaterade till strukturen hos den piezoelektriska filmen, såsom graden av kompakthet hos kornen och graden av föredragen orientering. I den piezoelektriska filmen, på grund av defekterna och spänningen i kristallkornet, är det inte en perfekt enkristall, så filmens fysiska konstant är något annorlunda än kristallvärdet. Eftersom strukturen hos den piezoelektriska filmen är nära relaterad till förberedelseprocessen, även för samma piezoelektriska film, är prestandavärdena som rapporteras i de olika litteraturerna ofta inkonsekventa. Bland alla oorganiska icke-järnhaltiga piezoelektriska filmer har AlN-filmen en stor elastisk konstant, men en låg densitet och den högsta ljudhastigheten. Därför är filmen mest lämplig för UHF- och mikrovågsapparater.

6. Ytans akustiska vågprestanda
När den akustiska ytvågen utbreder sig i piezoelektrisk cylinderomvandlare , dess partikelförskjutningsamplitud dämpas snabbt när avståndet från mediets yta ökar, så den akustiska ytvågsenergin är huvudsakligen koncentrerad till de följande två våglängderna på ytan. Ytans akustiska vågprestanda för filmmaterialet kan uttryckas som följande funktionella formel: ytakustiska vågprestanda = F (råmaterial, substrat, filmstruktur, vågläge, utbredningsriktning, interdigital elektrodform, tjocklek vågnummerprodukt) En tabell över ljudvågsprestandaparametrar kan inte representeras av ett enda värde. En annan akustisk vågegenskap hos piezoelektriska filmer är transmissionsförlust. Eftersom piezoelektriska filmer ofta används som akustiska transmissionsmedier i ytvågsanordningar, är källan till transmissionsförlust huvudsakligen spridningen av akustiska vågor i den piezoelektriska filmen och substratet.

Metod för framställning av piezoelektrisk film
Förberedelsemetoderna för piezoelektriska tunna filmer inkluderar huvudsakligen traditionella vakuumbeläggningsmetoder, inklusive vakuumförångningsbeläggning, sputterbeläggning och kemisk ångavsättningsbeläggning med en tjocklek på 0-18 μm, och ny sol-gel-metod, hydrotermisk metod och elektroforetisk filmmaterial 10 pieelect-metod 1000m 100m.
Tjock piezoelektrisk film hänvisar vanligtvis till en piezoelektrisk film med en tjocklek på 10 till 100 μm. Jämfört med den tunna filmen påverkas dess piezoelektriska och ferroelektriska egenskaper mindre av gränsytan och ytan; på grund av sin relativt stora tjocklek kan denna typ av PZT-material också generera en stor drivkraft och har en bredare arbetsfrekvens; jämfört med bulkmaterialet är dess driftspänning låg, användningsfrekvensen är hög och den är kompatibel med halvledarprocesser.

1. Vakuumförångningsbeläggning
Vakuumförångningsbeläggning är att förånga ett ämne genom upphettning och avsätta det på en fast yta, vilket kallas för förångningsbeläggning. Denna metod föreslogs först av M. Faraday 1857, och modernisering har blivit en av de vanligaste beläggningsteknikerna.
Vakuumavdunstningsbeläggning inkluderar följande tre grundläggande processer:
(1) Uppvärmnings- och förångningsprocess, inklusive kantningsprocessen för att byta från kondenserad fas till gasfas (fast fas eller flytande fas → gasfas). Varje förångande ämne har olika mättat ångtryck vid olika temperaturer. Vid avdunstning av en förening reagerar dess komponenter, och några av dem kommer in i förångningsutrymmet i gasform eller ånga.
(2) Transporten av förångade atomer eller molekyler mellan förångningskällan och substratet, och flygprocessen för dessa exempel i den omgivande atmosfären. Antalet kollisioner med kvarvarande gasmolekyler i vakuumkammaren under flygning beror på den genomsnittliga fria vägen för de förångade atomerna och avståndet från förångningskällan till substratet, ofta kallat källa-basavståndet.
(3) Utfällningsprocessen av förångade atomer eller molekyler på ytan av substratet, och ångkondensation, kärnbildning, kärntillväxt och bildandet av en kontinuerlig film. Eftersom temperaturen på substratet är mycket lägre än temperaturen för förångningskällan, kommer fasövergångsprocessen för avsättningsmolekylerna på substratytan att ske direkt från gasfasen till den fasta fasen.
När ett ämne avdunstar är det viktigt att känna till det mättade ångtrycket, förångningshastigheten och den genomsnittliga fria vägen för de förångade molekylerna. Det finns tre typer av förångningskällor.

2. Vakuumförstoftande beläggning
Ett exempel med en kinetisk energi på mer än några hundra elektronvolt eller en jonstråle bombarderar den fasta ytan, så att atomerna nära den fasta ytan får en del av energin från de infallande partiklarna och lämnar det fasta ämnet för att komma in i vakuumet. Detta fenomen kallas sputtering. Sputtringsfenomenet involverar en komplex spridningsprocess och åtföljs av olika energiöverföringsmekanismer. Man tror allmänt att denna process huvudsakligen är den så kallade kollisionskaskadprocessen, det vill säga att de infallande jonerna kolliderar elastiskt med målatomerna, så att målatomerna får tillräcklig energi för att övervinna den potentiella barriären som bildas av de omgivande atomerna och lämna den ursprungliga positionen, och ytterligare och närliggande atomer kolliderar. När denna kollisionskaskad når målatomens yta så att atomerna får energi som är högre än ytbindningsenergin, kommer dessa atomer att lämna målatomens yta och gå in i ett vakuum. Nu mer forskning om sputter beläggning är magnetron sputter beläggning. Magnetronförstoftning är att utföra höghastighetsförstoftning under lågt tryck, och det är nödvändigt att effektivt öka gasens joniseringshastighet. Genom att införa ett magnetiskt fält på ytan av målkatoden, används magnetfältet för att hålla tillbaka de laddade partiklarna för att öka plasmadensiteten för att öka förstoftningshastigheten. Använd ett externt magnetfält för att fånga elektroner, förlänga och begränsa elektronernas rörelsebana, öka joniseringshastigheten och öka beläggningshastigheten.

3. Kemisk ångavsättningsbeläggning
Kemisk ångavsättning är en kemisk ångtillväxtmetod, kallad CVD-teknik (Chemical Vapour Deposition). I denna metod tillförs den elementära gasen som innehåller en eller flera föreningar som utgör tunnfilmselementet till substratet, och den erforderliga tunna filmen bildas genom gasfas eller kemisk reaktion på ytan av substratet genom att använda energikällor såsom uppvärmning, plasma, ultraviolett ljus eller till och med laserljus. Eftersom CVD-metoden använder olika gasreaktioner för att framställa den tunna filmen, kan sammansättningen av den tunna filmen kontrolleras godtyckligt, så att många nya filmmaterial kan produceras. När CVD-metoden används för att framställa en tunn film, är dess tillväxttemperatur betydligt lägre än smältpunkten för det tunnfilmsbeståndsmaterial, det resulterande filmskiktet har god enhetlighet, har stegtäckning och är lämpligt för substrat med komplexa former. På grund av dess fördelar såsom hög avsättningshastighet, få hål, hög renhet, kompakthet och få kristallbildande defekter, är tillämpningsområdet för kemisk ångavsättning mycket brett. CVD-metoden kan användas för att förbereda piezoelektriska tjockfilmsmaterial med tät, slät yta, tjocklek på 0 ~ 18μm och utmärkt prestanda. Därför, vid framställningen av piezoelektriska tjocka filmer, har CVD-metoden utvecklats snabbt och har antagits av många forskare.

4. Ny lösningsgelmetod
Den nya sol-gelmetoden är att tillsätta det beredda pulvret (samma sammansättning som solen) till solen, sedan tillsätta ett visst organiskt lösningsmedel till lösningen som ett dispergeringsmedel, tillsätta andra organiska lösningsmedel för att justera lösningens viskositet och pH, ​​och slutligen inte kontinuerlig ultraljudsvibration sprider nanopulvret i lösningen, och slutligen erhåller en enhetlig pulverlösning. Den erforderliga filmen avsätts på substratet med sol-gel-metoden. I denna avsättningsprocess fungerar pulverpartiklarna som frökristaller.
På så sätt kan en tjock film med en tjocklek av tiotals mikron framställas. Det undviker problemet med sprickbildning eller till och med filmavfall orsakade av den tjocka filmen framställd med den traditionella sol-gel-metoden. De förberedda tjockfilmskomponenterna är likformigt blandade och hög i renhet och kräver inte högtemperatursintring, och den resulterande tjocka filmen är kompatibel med halvledarberedningsprocessen. Och utrustningen är enkel, kostnaden är låg och membransammansättningen kan kontrolleras, så denna metod används för närvarande oftare.

5. Hydrotermisk metod
Den hydrotermiska metoden avser användningen av en vattenlösning som reaktionsmedium i ett specialtillverkat slutet reaktionskärl (autoklav). Genom att värma upp reaktionskärlet skapas en reaktionsmiljö med hög temperatur och högt tryck, så att normalt olösliga eller olösliga ämnen löses upp och omkristalliseras. Den tjocka filmen som framställs med denna metod är att stökiometriskt blanda några föreningar i den tjockfilmskomponent som ska framställas till en mättad lösning i ett visst alkaliskt medium och justera PH-värdet. Därefter överförs lösningen till en autoklav, och en viss tjocklek kan odlas på substratet efter en viss reaktionstid.