П’єзоелектричні матеріали — це функціональні матеріали, які здійснюють перетворення між механічною енергією та електричною енергією (2)

Спосіб виготовлення п'єзоелектричної плівки

Методи підготовки п'єзоелектричних тонких плівок - це в основному традиційні методи вакуумного покриття, включаючи покриття вакуумним випаровуванням, покриття розпиленням, покриття хімічним осадженням з парової фази готується товщиною 0 ~ 18 мкм, новий золь-гель метод, гідротермальний метод, метод електрофоретичного осадження готується п'єзоелектричний товстий плівковий матеріал 10-100 мкм.

Товста п'єзоелектрична плівка зазвичай відноситься до п'єзоелектричної плівки  п'єзоелектричний напівсферичний перетворювач  товщиною від 10 до 100 мкм. Порівняно з тонкою плівкою, на її п’єзоелектричні та сегнетоелектричні властивості менше впливає межа розділу та поверхня; через свою відносно велику товщину цей вид матеріалу 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. Покриття вакуумним випаровуванням

Вакуумне напилення полягає у випаровуванні речовини шляхом нагрівання та осадженні його на тверду поверхню, що називається напиленням. Цей метод вперше запропонував М. Фарадей у ​​1857 році, і модернізація стала однією з поширених технологій нанесення покриттів.

Нанесення покриття вакуумним випаровуванням включає 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 п'єзокераміка п'єзоелектричний перетворювач буде відбуватися 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.

①Джерело резистивного нагрівання: виготовлене з тугоплавких металів, таких як вольфрам і тантал, виготовлене з фольги або нитки розжарювання, пропускає струм для нагрівання матеріалу, що випаровується над ним, або розміщене в тиглі (джерело резистивного нагріву в основному використовується для випаровування Cd, Pb, Ag, Al, Cu, Cr, Au, Ni та інших матеріалів.

② Джерело високочастотного індукційного нагріву: нагрівання тигля та матеріалу, що випаровується, високочастотним індукційним струмом.

③ Джерело електронно-променевого нагріву: підходить для матеріалів з високою температурою випаровування (не менше 2000), тобто бомбардуйте матеріал електронним променем, щоб він випарувався.

Щоб осадити монокристалічну плівку високої чистоти, можна використовувати молекулярно-променеву епітаксію. Струминна піч оснащена джерелом молекулярного пучка. Коли він нагрівається до певної температури під надвисоким вакуумом, то  п'єзодискові  елементи перетворювача в печі спрямовані на підкладку як пучок молекулярного потоку. Підкладка нагрівається до певної температури, молекули, що осідають на підкладці, можуть мігрувати, і кристали вирощуються в порядку решітки підкладки. Методом молекулярно-променевої епітаксії можна отримати монокристалічну плівку сполуки високої чистоти з необхідним стехіометричним співвідношенням, причому плівка росте найповільніше. Швидкість можна регулювати на рівні 1 шару/секунду. Керуючи перегородкою, можна точно виготовити тонкі плівки з одного п’єзокристала з бажаним складом і структурою. Молекулярно-променева епітаксія широко використовується для виготовлення різноманітних оптичних інтегрованих пристроїв і різноманітних плівок із надгратковою структурою

2. Вакуумне напилення покриття

Наприклад, 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.

Зазвичай вважається, що цей процес є в основному так званим каскадним процесом зіткнення, 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 нанесення покриттів методом магнетронного розпилення. Магнетронне розпилення полягає у виконанні високошвидкісного розпилення під низьким тиском, і необхідно ефективно збільшити швидкість іонізації газу. Вводячи магнітне поле на поверхню цільового катода, 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.

4. Новий метод розчину гелю

Новий золь-гель метод полягає у додаванні підготовленого порошку (такого ж складу, що й золь) до золю, а потім додавання певного органічного розчинника до розчину як диспергатора та додавання інших органічних розчинників для регулювання в’язкості та pH розчину. Безперервна ультразвукова вібрація диспергує нанопорошок у розчині, і, нарешті, отримує однорідний порошковий розчин, і наносить необхідну плівку 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, мають високу чистоту і не вимагають високотемпературного спікання. 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 — це 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.

Гідротермальне приготування товстих плівок має багато переваг:

① Процес завершується в рідкій фазі за один раз, і не потрібна термічна обробка після кристалізації, що дозволяє уникнути таких дефектів, як розтріскування, укрупнення зерна, реакція з підкладкою або атмосферою, які можуть виникнути під час процесу термічної обробки;

②Неорганічні матеріали використовуються як прекурсори, а вода використовується як реакційне середовище. Сировина легкодоступна, що знижує витрати на виготовлення плівки та менше забруднює навколишнє середовище;

③ Обладнання просте, а температура гідротермічної обробки низька, що дозволяє уникнути взаємної дифузії компонентів плівки та підкладки до та після гідротермічної обробки. Отримана плівка має високу чистоту і хорошу однорідність. Крім того, коли цей спосіб використовується для отримання товстих плівок, товсті плівки можна наносити на поверхні підкладки різної складної форми. Отримані товсті плівки мають певні переваги спонтанної поляризації, низького гістерезису та хорошого зв’язку з підкладками. . В даний час цей метод привертає все більше уваги.

6. Метод електрофоретичного осадження

Електрофоретичне осадження (EPD) стосується диспергування підготовленого тонкодисперсного порошку з тим самим складом, що й товста плівка в суспензії, для утворення суспензії з різними концентраціями та регулювання значення рН суспензії кислотно-основним розчином. Стабільна суспензія виходить за допомогою ультразвукової дисперсії та магнітного перемішування, і під постійним тиском заряджені частинки рухаються спрямовано під дією електричного поля, отримуючи таким чином товсту плівку певної товщини. Товста плівка, отримана цим методом, має переваги простого обладнання, швидкого формування плівки, необмеженої форми покритих частин, рівномірної та контрольованої товщини плівки тощо. Отримана товста плівка може досягати десятків мікрон, а композиція є однорідною та щільною.