П’єзоелектричні керамічні матеріали є функціональними матеріалами, які здійснюють перетворення між механічною енергією та електричною енергією (1)

П'єзоелектричні матеріали - це функціональні матеріали, які здійснюють перетворення між механічною енергією та електричною енергією. Його розвиток має давню історію. З моменту відкриття п'єзоелектричного ефекту на кристалах кварцу братами КЮРИ в 1880-х роках п'єзоелектричні матеріали привернули широку увагу. З поглибленням досліджень з’явилася велика кількість п’єзоелектричних матеріалів, таких як п’єзоелектричні функціональні керамічні матеріали, п’єзоплівка, п’єзоелектричні композитні матеріали тощо. Ці матеріали мають дуже широкий спектр використання та відіграють важливу роль у функціональних пристроях перетворення, таких як електрика, магнетизм, звук, світло, тепло, вологість, газ і сила.

П'єзоелектрична плівка PVDF
П'єзоелектрична плівка PVDF - це п'єзоелектрична плівка з полівініліденфториду. У 1969 році японці відкрили полімерний матеріал полівініліденфторид (полівініліденфторидний полімер), який називають PVDF, який має дуже сильний п'єзоелектричний ефект. Плівка PVDF в основному має два типи п’єзокристалів, а саме тип α і тип β. П’єзокристал типу α не має п’єзоелектрики, але після згортання та розтягування плівки PVDF вихідний кристал типу α у плівці стає кристалічною структурою типу β. Коли розтягнута та поляризована плівка PVDF піддається зовнішній силі або деформації в певному напрямку, поляризована поверхня ультразвуковий датчик рівня генерує певний електричний заряд, тобто п’єзоелектричний ефект.

У порівнянні з п'єзокерамікою і п'єзокристалами п'єзоелектричні плівки мають такі переваги:

(1) Легка вага, його щільність становить лише чверть звичайно використовуваної п’єзоелектричної кераміки PZT, наклеєна на об’єкт вимірювання, майже не впливає на оригінальну структуру, висока еластична гнучкість, може бути оброблена в певну форму. Вимірювальна поверхня повністю підігнана, має високу механічну міцність і ударостійкість;
(2) Вихід високої напруги, за однакових умов напруги вихідна напруга в 10 разів вища, ніж у п’єзоелектричної кераміки;
(3) Висока діелектрична міцність, яка може витримувати вплив сильного електричного поля (75 В/мкм), на даний момент більшість п’єзоелектричної кераміки деполяризовано;
(4) Акустичний імпеданс низький, лише одна десята від п’єзоелектричної кераміки PZT, близько до води, тканин людини та в’язкого тіла;
(5) Частотна характеристика широка, електромеханічний ефект можна перетворити з 10-3 Гц на 109, а режим вібрації простий.

Властивості п’єзоплівки
1. Діелектрична проникність
Хоча п’єзоелектрична плівка — це монокристалічна плівка або полікристалічна плівка з переважною орієнтацією, атомна упаковка в ній не є такою щільною та впорядкованою, як у кристалі, тому значення діелектричної проникності п’єзоелектричної плівки відрізняється від значення кристала. На додаток до цього часто існують великі залишкові внутрішні напруги в плівці та причини вимірювання, які також спричиняють відмінність значення діелектричної проникності плівки від відповідного значення кристала.
Існуючі дослідження показали, що діелектрична проникність п’єзоелектричної плівки не тільки пов’язана з орієнтацією кристала, але також залежить від умов випробування. Діелектрична проникність п'єзоелектричної плівки має значну дисперсію. На додаток до різниці внутрішньої напруги та умов випробувань, зазвичай вважається, що різниця між співвідношенням хімічного складу та товщиною плівки композиції плівки зменшується зі збільшенням товщини плівки. Тонкий і маленький. Крім того, діелектрична проникність п’єзоелектричної тонкої плівки також значно змінюватиметься з температурою та частотою.

2. Питомий об’ємний опір
З точки зору зменшення діелектричних втрат і частоти релаксації п’єзоелектричної плівки очікується, що вона матиме дуже високий питомий опір, принаймні ρv≥108Ω • см. Опір плівки AlN становить 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ом · см, що набагато більше, ніж 108 Ом · см, тому в цьому відношенні плівка AlN є дуже чудовою. Крім того, зміна електропровідності п’єзоелектричних плівок AlN з температурою також відбувається за законом 1nσ∝1 / T. Жоден з кристалів з п'єзоелектричним ефектом не має центру симетрії, тому їх рухливість електронів також анізотропна, а електропровідність також різна. Провідність п'єзоелектричної плівки AlN уздовж напрямку осі C відрізняється від напрямку, перпендикулярного осі C. Перший приблизно на 1-2 порядки менший.

3. Тангенс кута втрат.
Тангенс діелектричних втрат для п’єзоелектричної плівки AlN становить tanδ = 0,003 ～ 0,005, а tanδ для плівки ZnO більший і становить 0,005 ～ 0,01. Причина, чому tanδ цих плівок настільки велика, полягає в тому, що на додаток до процесу провідності, ці плівки також мають значні явища релаксації. Подібно до діелектричної тонкої плівки, tan δ п’єзоелектричної товстої плівки поступово збільшується зі збільшенням температури та частоти та збільшенням вологості. Крім того, зі зменшенням товщини плівки tan δ має тенденцію до збільшення. Очевидно, що збільшення tan δ із температурою пов’язане зі збільшенням провідності та збільшенням релаксорів. Воно зростає з частотою, тому що кількість часів релаксації в часі збільшується.

4. Міцність пробою
Оскільки напруженість поля діелектричного пробою належить до параметра міцності, а різні дефекти неминучі в плівці, напруженість поля пробою п’єзоелектричної плівки має значну дисперсію; теорія пробою діелектрика. Напруженість поля пробою повинна поступово збільшуватися в міру зменшення товщини плівки. Але насправді, оскільки плівка містить багато дефектів, ефект дефекту є більш значним, оскільки товщина менша, тому, коли товщина зменшується до певного значення, напруженість поля пробою плівки різко зменшується. На напруженість поля пробою плівки, крім причин самої плівки, також впливає край електрода під час випробування. Оскільки чим товща плівка, тим більш нерівномірне електричне поле на краю електрода, тому зі збільшенням товщини плівки напруженість її поля пробою поступово зменшується. Крім перерахованих вище факторів, напруженість поля пробою діелектричної плівки також залежить від структури плівки. Для п’єзоелектричної плівки напруженість поля пробою також залежить від напрямку електричного поля, тобто вона також анізотропна за напруженістю поля пробою. Завдяки наявності меж зерен у полікристалічній плівці її напруженість поля пробою нижча, ніж у аморфної плівки; з подібних причин напруженість поля пробою переважно орієнтованої п’єзоелектричної плівки в напрямку орієнтації зерна вища, ніж у перпендикулярному напрямку. Напруженість поля пробою нижча.

Як і в інших діелектричних плівках, напруженість поля пробою п’єзоелектричної плівки також залежить від деяких зовнішніх факторів, таких як форма хвилі напруги, частота, температура та електроди. Оскільки напруженість поля пробою п’єзоелектричної плівки пов’язана з багатьма факторами, для однієї плівки значення напруженості поля пробою, наведені у відповідній літературі, часто суперечать один одному і навіть сильно відрізняються. Наприклад, напруженість поля пробою плівки ZnO становить 0,01 ~ 0,4 МВ/см, плівки AlN — 0,5 ~ 6,0 МВ/см.

5. Характеристика об’ємної акустичної хвилі
Найважливішими характеристиками п’єзоелектричних перетворювачів об’ємної акустичної хвилі є резонансна частота f0, акустичний імпеданс Za та коефіцієнт електромеханічного зв’язку K, тому швидкість звуку υ та температурний коефіцієнт п’єзоелектричної плівки, акустичний опір та коефіцієнт електромеханічного зв’язку є особливо суворими. Ці властивості плівки не тільки залежать від пружності, діелектричних, п’єзоелектричних і теплових властивостей кристалічних зерен у плівці, але також тісно пов’язані зі структурою п’єзоелектричної плівки, такою як ступінь компактності зерен і ступінь переважної орієнтації. П’єзоелектрична плівка через дефекти та деформацію кристалічного зерна не є ідеальним монокристалом, тому фізична константа плівки дещо відрізняється від значення кристала. Оскільки структура п’єзоелектричної плівки тісно пов’язана з процесом підготовки, навіть для тієї самої п’єзоелектричної плівки значення продуктивності, зазначені в різних літературних джерелах, часто несумісні. Серед усіх неорганічних кольорових п’єзоелектричних плівок плівка AlN має велику пружну константу, але низьку щільність і найвищу швидкість звуку. Тому плівка найбільше підходить для УВЧ і мікрохвильових приладів.

6. Ефективність поверхневої акустичної хвилі
Коли поверхнева акустична хвиля поширюється в П’єзоелектричний циліндровий перетворювач , його амплітуда зміщення частинок швидко слабшає зі збільшенням відстані від поверхні середовища, тому енергія поверхневої акустичної хвилі в основному зосереджена на наступних двох довжинах хвилі на поверхні. Ефективність поверхневої акустичної хвилі матеріалу плівки можна виразити такою функціональною формулою: продуктивність поверхневої акустичної хвилі = F (сировина, підкладка, структура плівки, мода хвилі, напрямок поширення, форма міжпальцевих електродів, добуток хвильового числа товщини) Таблиця параметрів продуктивності звукової хвилі не може бути представлена ​​одним значенням. Ще одна властивість п’єзоелектричних плівок акустичної хвилі — це втрати при передачі. Оскільки п’єзоелектричні плівки часто використовуються як середовища передачі звуку в пристроях з поверхневими хвилями, джерелом втрат при передачі є головним чином розсіювання акустичних хвиль у п’єзоелектричній плівці та підкладці.

Метод приготування п’єзоелектричної плівки
Методи виготовлення п’єзоелектричних тонких плівок в основному включають традиційні методи вакуумного покриття, включаючи покриття вакуумним випаровуванням, покриття розпиленням і покриття хімічним осадженням з парової фази товщиною 0-18 мкм, а також новий золь-гель метод, гідротермальний метод і метод електрофоретичного осадження 10 ~ 100 мкм. п'єзоелектричний товстий плівковий матеріал.
Товста п'єзоелектрична плівка зазвичай відноситься до п'єзоелектричної плівки товщиною від 10 до 100 мкм. Порівняно з тонкою плівкою, на її п’єзоелектричні та сегнетоелектричні властивості менше впливає межа розділу та поверхня; через його відносно велику товщину, цей вид матеріалу PZT також може генерувати велику рушійну силу та має більшу робочу частоту; порівняно з масовим матеріалом, його робоча напруга низька, частота використання висока, і він сумісний з напівпровідниковими процесами.

1. Вакуумне напилення покриття.
Вакуумне напилення полягає у випаровуванні речовини шляхом нагрівання та нанесенні її на тверду поверхню, що називається напиленням. Цей метод вперше запропонував М. Фарадей у ​​1857 році, і модернізація стала однією з поширених технологій нанесення покриттів.
Покриття вакуумним випаровуванням включає такі три основні процеси:
(1) Процес нагрівання та випаровування, включаючи процес переходу від конденсованої фази до газової фази (тверда фаза або рідка фаза → газова фаза). Кожна речовина, що випаровується, має різний тиск насиченої пари при різних температурах. При випаровуванні сполуки її компоненти реагують, і деякі з них потрапляють у випарний простір у газоподібному стані або в парі.
(2) Транспортування випарених атомів або молекул між джерелом випаровування та підкладкою, а також процес польоту цих прикладів у навколишній атмосфері. Кількість зіткнень із молекулами залишкового газу у вакуумній камері під час польоту залежить від середньої довжини вільного пробігу атомів, що випаровуються, і відстані від джерела випаровування до підкладки, яку часто називають відстанню джерело-база.
(3) Процес преципітації випарених атомів або молекул на поверхні підкладки, а також конденсація пари, зародження, зростання ядер і утворення суцільної плівки. Оскільки температура підкладки значно нижча за температуру джерела випаровування, процес фазового переходу молекул осаду на поверхні підкладки відбуватиметься безпосередньо з газової фази в тверду фазу.
Коли речовина випаровується, важливо знати тиск насиченої пари, швидкість випаровування та середню довжину вільного пробігу випаровуваних молекул. Є три типи джерел випаровування.

2. Покриття вакуумним напиленням.
Приклад з кінетичною енергією понад кілька сотень електрон-вольт або промінь іонів бомбардує поверхню твердого тіла, так що атоми, близькі до поверхні твердого тіла, отримують частину енергії падаючих частинок і залишають тверде тіло, щоб увійти у вакуум. Це явище називається розпиленням. Явище розпилення включає складний процес розсіювання та супроводжується різними механізмами передачі енергії. Загальноприйнято вважати, що цей процес є в основному так званим каскадним процесом зіткнень, тобто іони, що падають, пружно стикаються з цільовими атомами, так що цільові атоми отримують достатню енергію, щоб подолати потенційний бар’єр, утворений навколишніми атомами, і залишити початкове положення, а наступні та сусідні атоми стикаються. Коли цей каскад зіткнень досягає поверхні цільового атома, так що атоми отримують енергію, вищу за поверхневу енергію зв’язку, ці атоми залишать поверхню цільового атома та потрапляють у вакуум. Тепер більше досліджень з напилення покриттів магнетронним напиленням. Магнетронне розпилення полягає у виконанні високошвидкісного розпилення під низьким тиском, і необхідно ефективно збільшити швидкість іонізації газу. Вводячи магнітне поле на поверхню катода-мішені, магнітне поле використовується для стримування заряджених частинок, щоб збільшити щільність плазми та збільшити швидкість розпилення. Використовуйте зовнішнє магнітне поле для захоплення електронів, подовження та обмеження шляху руху електронів, підвищення швидкості іонізації та збільшення швидкості покриття.

3. Покриття методом хімічного осадження з парової фази.
Хімічне осадження з парової фази – це метод хімічного вирощування з парової фази, який називають технологією CVD (хімічного осадження з парової фази). У цьому методі елементарний газ, що містить одну або кілька сполук, що утворюють тонкоплівковий елемент, подається на підкладку, а необхідна тонка плівка утворюється газовою фазою або хімічною реакцією на поверхні підкладки за допомогою джерел енергії, таких як нагрівання, плазма, ультрафіолетове світло або навіть лазерне світло. Оскільки метод CVD використовує різні газові реакції для приготування тонкої плівки, склад тонкої плівки можна довільно контролювати, так що можна виготовити багато нових плівкових матеріалів. Коли метод CVD використовується для отримання тонкої плівки, температура її росту значно нижча за температуру плавлення матеріалу, що становить тонку плівку, отриманий шар плівки має хорошу однорідність, має ступінчасте покриття та підходить для підкладок складної форми. Завдяки таким перевагам, як висока швидкість осадження, мало отворів, висока чистота, компактність і невелика кількість кристалоутворюючих дефектів, діапазон застосування хімічного осадження з парової фази дуже широкий. Метод CVD можна використовувати для отримання п’єзоелектричних товстих плівкових матеріалів із щільною, гладкою поверхнею, товщиною 0 ~ 18 мкм і чудовими характеристиками. Тому при виготовленні п’єзоелектричних товстих плівок метод CVD отримав швидкий розвиток і був прийнятий багатьма дослідниками.

4. Новий метод розчину гелю.
Новий золь-гель метод полягає у додаванні підготовленого порошку (того ж складу, що й золь) до золю, потім до розчину додають певний органічний розчинник як диспергатор, додають інші органічні розчинники для регулювання в’язкості та рН розчину, і, нарешті, безперервна ультразвукова вібрація диспергує нанопорошки в розчині, і, нарешті, отримує однорідний порошковий розчин. Потрібна плівка наноситься на підкладку золь-гель методом. У цьому процесі осадження частинки порошку діють як затравкові кристали.
Таким чином можна отримати товсту плівку товщиною в десятки мікрон. Це дозволяє уникнути проблеми розтріскування або навіть осипання плівки, викликаної товстою плівкою, виготовленою традиційним золь-гель методом. Підготовлені компоненти товстої плівки однорідно змішані та мають високу чистоту, не вимагають високотемпературного спікання, а отримана товста плівка сумісна з процесом виготовлення напівпровідників. І обладнання просте, і вартість невисока, і склад мембрани можна контролювати, тому цей метод зараз використовується частіше.

5. Гідротермальний метод
Гідротермальний метод відноситься до використання водного розчину як реакційного середовища в спеціально виготовленому закритому реакційному посудині (автоклаві). Нагріваючи реакційну посудину, створюється реакційне середовище з високою температурою та високим тиском, завдяки чому зазвичай нерозчинні або нерозчинні речовини розчиняються та перекристалізовуються. Товста плівка, отримана цим методом, полягає в стехіометричному змішуванні деяких сполук у компоненті товстої плівки, який потрібно підготувати, у насичений розчин у певному лужному середовищі та регулюванні значення PH. Після цього розчин переноситься в автоклав, і після певного часу реакції на підкладці можна наростити певну товщину.