Piezoelektriska material är funktionella material som realiserar omvandlingen mellan mekanisk energi och elektrisk energi(2)

Metod för framställning av piezoelektrisk film

Beredningsmetoderna för piezoelektriska tunna filmer är huvudsakligen traditionella vakuumbeläggningsmetoder, inklusive vakuumförångningsbeläggning, sputterbeläggning, kemisk ångavsättningsbeläggning framställs i en tjocklek av 0 ~ 18μm, ny sol-gel-metod, hydrotermisk metod, elektroforetisk avsättningsmetod framställs 10-100μm tjockt filmmaterial.

Tjock piezoelektrisk film hänvisar vanligtvis till en piezoelektrisk film  piezoelektrisk hemisfärsgivare  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 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. Vakuumavdunstningsbeläggning

Vakuumavdunstningsbeläggning är att förånga ett ämne genom upphettning och avsätta det på en fast yta, vilket kallas för evaporationsbeläggning. Denna metod föreslogs först av M. Faraday 1857, och modernisering har blivit en av de vanligaste beläggningsteknikerna.

Vakuumförångningsbeläggning inkluderar följande tre grundläggande processer:

(1) Uppvärmnings- och förångningsprocessen inklusive kantningsprocessen från den kondenserade fasen till gasfasen (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 på förångningskällan, är fasövergångsprocessen för avsättningsmolekylerna på substratytan piezokeramik piezoelektrisk givare kommer att ske direkt från gasfas till fast fas....

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.

① Motståndsvärmekälla: gjord av eldfasta metaller som volfram och tantal gjorda av båtfolie eller filament, som passerar ström för att värma förångningsmaterialet ovanför det eller placeras i degeln (motståndsvärmekällan används huvudsakligen för att förånga Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni och andra material.

② Högfrekvent induktionsvärmekälla: uppvärmning av degeln och förångningsmaterial med högfrekvent induktionsström.

③ Elektronstrålevärmekälla: lämplig för material med hög förångningstemperatur (inte mindre än 2000), det vill säga bombardera materialet med elektronstråle för att få det att avdunsta.

För att avsätta en enkristallfilm med hög renhet kan molekylär strålepitaxi användas. Jetugnen är utrustad med en molekylär strålkälla. När den värms upp till en viss temperatur under ultrahögt vakuum,  piezoskivtransduktorelement  i ugnen är riktade mot substratet som en stråle av molekylärt flöde. Substratet värms upp till en viss temperatur, molekylerna som avsatts på substratet kan migrera och kristallerna odlas i ordningsföljden för substratgittret. Molekylstråleepitaxmetoden kan erhålla en enkristallfilm av högrenhetsförening med det erforderliga stökiometriska förhållandet, och filmen växer långsammast. Hastigheten kan styras med 1 enstaka lager/sekund. Genom att kontrollera baffeln kan tunna filmer med enstaka piezokristaller med önskad sammansättning och struktur göras exakt. Molekylär strålepitaxi används ofta för att tillverka olika optiska integrerade enheter och olika supergitterstrukturfilmer

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 sputterbeläggning är magnetronförstoftningsbeläggning. Magnetronförstoftning är att utföra höghastighetsförstoftning under lågt tryck, och det är nödvändigt att effektivt öka gasens joniseringshastighet. Genom att införa ett magnetiskt fält på målkatodens yta 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.

4. Ny lösningsgelmetod

Den nya sol-gel-metoden är att tillsätta det beredda pulvret (samma sammansättning som solen) till solen och sedan tillsätta ett visst organiskt lösningsmedel till lösningen som ett dispergeringsmedel och tillsätta andra organiska lösningsmedel för att justera lösningens viskositet och pH. Kontinuerlig ultraljudsvibration sprider nanopulvret i lösningen och erhåller slutligen en enhetlig pulverlösning och avsätter den erforderliga filmen på substratet med sol-gelmetoden. 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 som inte kräver sintring vid hög temperatur. 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

Hydrotermisk metod 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.

Hydrotermisk beredning av tjocka filmer har många fördelar:

① Processen avslutas i vätskefasen på en gång, och ingen värmebehandling efter kristallisation krävs, vilket undviker defekter som sprickbildning, kornförgrovning, reaktion med substratet eller atmosfären som kan orsakas under värmebehandlingsprocessen;

②Oorganiska material används som prekursorer och vatten används som reaktionsmedium. Råvarorna är lättillgängliga, vilket minskar kostnaden för filmberedning och har mindre miljöföroreningar;

③ Utrustningen är enkel och temperaturen för hydrotermisk behandling är låg, vilket undviker interdiffusion av filmen och substratkomponenterna före och efter hydrotermisk behandling. Den resulterande filmen har hög renhet och god enhetlighet. Dessutom, när denna metod används för att framställa tjocka filmer, kan tjocka filmer avsättas på substratytor av olika komplexa former. De resulterande tjocka filmerna har vissa fördelar av spontan polarisation, låg hysteres och god bindning med substrat. . För närvarande har denna metod väckt mer och mer uppmärksamhet.

6. Elektroforetisk deponeringsmetod

Elektroforetisk avsättning (EPD) avser dispergering av det preparerade fina pulvret med samma sammansättning som den tjocka filmen i suspensionen för att bilda en suspension med olika koncentrationer, och justering av suspensionens pH-värde med syra-baslösning. Stabil suspension erhålls genom ultraljudsdispersion och magnetisk omrörning, och under konstant tryck rör sig de laddade partiklarna riktningsmässigt under inverkan av det elektriska fältet, varigenom en tjock film med en viss tjocklek erhålls. Den tjocka filmen som framställs med denna metod har fördelarna med enkel utrustning, snabb filmbildning, obegränsad form på de pläterade delarna, enhetlig och kontrollerbar filmtjocklek, etc. Den resulterande tjocka filmen kan nå tiotals mikrometer och sammansättningen är enhetlig och tät.