Materiais piezoelétricos são materiais funcionais que percebem a conversão entre energia mecânica e energia elétrica (2)

Método para preparar filme piezoelétrico

Os métodos de preparação de filmes finos piezoelétricos são principalmente métodos tradicionais de revestimento a vácuo, incluindo revestimento de evaporação a vácuo, revestimento de pulverização, revestimento de depósito de vapor químico é preparado em uma espessura de 0 ~ 18μm, novo método de sol-gel, método hidrotermal, método de deposição eletroforética é preparada 10-100μm material de filme grosso piezoelétrico.

Filme piezoelétrico espesso geralmente se refere a um filme piezoelétrico Transdutor de hemisfério piezoelétricowcom uma espessura de 10 a 100 μm. Em comparação com o filme fino, suas propriedades piezoelétricas e ferrarelétricas são menos afetadas pela interface e da superfície; Por causa de sua espessura relativamente grande, esse tipo de material também pode gerar uma grande força motriz e tem uma frequência de operação mais ampla; Em comparação com o material em massa, sua tensão operacional é baixa, a frequência de uso é alta, e é compatível com os processos de semicondutores.

1. revestimento de evaporação a vácuo

O revestimento de evaporação de vácuo é evaporar uma substância aquecendo e depositá-lo em uma superfície sólida, que é chamada de revestimento de evaporação. Este método foi proposto pela primeira vez por M. Faraday em 1857, e a modernização tornou-se uma das tecnologias de revestimento comumente usadas.

O revestimento de evaporação de vácuo inclui os seguintes três processos básicos:

(1) O processo de aquecimento e evaporação, incluindo o processo de afiação da fase condensada para a fase gasosa (fase sólida ou fase líquida → fase de gás). Cada substância de evaporação tem uma pressão de vapor saturada diferente em diferentes temperaturas. Ao evaporar um composto, seus componentes reagem e alguns deles entram no espaço de evaporação no estado gasoso ou no vapor.

(2) o transporte de átomos vaporizados ou moléculas entre a fonte de evaporação e o substrato, e o processo de voo destes exemplos na atmosfera ambiente. O número de colisões com moléculas de gás residual na câmara de vácuo durante o vôo depende do caminho livre médio dos átomos evaporados e da distância da fonte de evaporação para o substrato, muitas vezes chamado de distância de base de origem.

(3) O processo de precipitação de átomos vaporizados ou moléculas na superfície do substrato, e a condensação de vapor, nucleação, crescimento nuclear e a formação de um filme contínuo. Como a temperatura do substrato é muito menor que a temperatura da fonte de evaporação, o processo de transição de fase das moléculas de depósito na superfície do substratoTransdutor piezoelétrico de cerâmica piezoocorrerá diretamente da fase gasosa para a fase sólida ....

Quando uma substância evapora, é importante conhecer a pressão de vapor saturada, a taxa de evaporação e o caminho livre médio das moléculas evaporadas. Existem três tipos de fontes de evaporação.

① Resistância Fonte de aquecimento: Fonte de metais refratários, como tungstênio e tântalo feito de papel alumínio ou filamento, passando a corrente para aquecer o material de evaporação acima ou colocado na cadela (fonte de aquecimento de resistência é usada principalmente para evaporar CD, PB, AG, Al , CU, CR, Au, Ni e outros materiais.

② Aquecimento de indução de alta freqüência Fonte: Aquecimento do material cadinho e evaporação com corrente de indução de alta frequência.

③ Fonte de aquecimento de feixe de elétrons: Adequado para materiais com alta temperatura de evaporação (não inferior a 2000), isto é, bombardear o material com feixe de elétrons para torná-lo evaporar.

A fim de depositar um filme de cristal único de alta pureza, a epitaxia de feixe molecular pode ser usada. O forno de jato é equipado com uma fonte de feixe molecular. Quando é aquecido a uma certa temperatura sob o vácuo ultra-alto, otransdutor de disco piezo.Os elementos no forno são direcionados para o substrato como um raio de fluxo molecular. O substrato é aquecido a uma certa temperatura, as moléculas depositadas no substrato podem migrar, e os cristais são cultivados na ordem da estrutura do substrato. O método de epitaxia de feixe molecular pode obter uma única película de cristal de composto de alta pureza com a relação estoichiométrica necessária, e o filme cresce o mais lento. A velocidade pode ser controlada em uma única camada / segundo. Ao controlar o defletor, filmes finos de cristal piezo único com composição e estrutura desejados podem ser feitos com precisão. Epitaxy de feixe molecular é amplamente utilizado para fabricar vários dispositivos integrados ópticos e vários filmes de estrutura de superlattice

2. revestimento de pulverização a vácuo

Um exemplo com uma energia cinética de mais de algumas centenas de eletrônicos ou um feixe de íon Bombards a superfície sólida, de modo que os átomos próximos da superfície sólida obtêm uma parte da energia das partículas de incidente e deixam o sólido para entrar no vácuo . Este fenômeno é chamado de sputtering. O fenômeno de pulverização envolve um processo de espalhamento complexo e é acompanhado por vários mecanismos de transferência de energia.

Acredita-se geralmente que este processo seja principalmente o chamado processo de colisão cascade, ou seja, os íons incidentes colidem elasticamente com os átomos-alvo, para que os átomos-alvo obtenham energia suficiente para superar a barreira potencial formada pelos átomos e deixar A posição original e os átomos mais próximos e próximos colidem. Quando esta cascata de colisão atinge a superfície do átomo-alvo para que os átomos obtenham energia maior do que a energia de ligação de superfície, esses átomos deixarão a superfície do átomo-alvo e entrarão em vácuo. Agora, mais pesquisa sobre o revestimento de sputter é o revestimento de sputtering magnetron. O esboço magnetron é realizar a pulverização de alta velocidade sob baixa pressão, e é necessário aumentar efetivamente a taxa de ionização do gás. Ao introduzir um campo magnético na superfície do catodo de destino, o campo magnético é usado para restringir as partículas carregadas para aumentar a densidade de plasma para aumentar a taxa de pulverização. Use um campo magnético externo para capturar elétrons, estender e restringir o caminho do movimento dos elétrons, aumentar a taxa de ionização e aumentar a taxa de revestimento.

4. Novo método de gel de solução

O novo método do sol-gel é adicionar o pó preparado (mesma composição que o sol) ao sol, e, em seguida, adicionar um determinado solvente orgânico à solução como dispersante, e adicionar outros solventes orgânicos para ajustar a viscosidade e o pH do solução. A vibração ultrassônica contínua dispers a nano-pó na solução e, finalmente, obtém uma solução de pó uniforme e depósita o filme necessário no substrato pelo método sol-gel. Neste processo de deposição, as partículas de pó atuam como cristais de sementes.

Desta forma, um filme grosso com uma espessura de dezenas de microns pode ser produzido. Evita o problema de quebrar ou até mesmo derramamento de filme causado pelo filme espesso preparado pelo tradicional método sol-gel. Os componentes de filme espessos preparados são uniformemente misturados e altos em pureza, e que não requerem sinterização de alta temperatura. O filme grosso resultante é compatível com o processo de preparação de semicondutores. E o equipamento é simples, o custo é baixo, e a composição da membrana pode ser controlada, portanto, este método é usado atualmente com mais frequência.

5. Método hidrotérmico

Método hidrotérmico refere-se ao uso de uma solução aquosa como meio de reação em um recipiente de reação fechado especialmente feito (autoclave). Ao aquecer o vaso de reação, é criado um ambiente de reacção de alta temperatura e de alta pressão, de modo que normalmente substâncias insolúveis ou insolúveis se dissolvem e recristalizadas. O filme espesso preparado por este método é para misturar estoichiometricamente alguns compostos no componente de filme espesso a serem preparados em uma solução saturada em um determinado meio alcalino e ajustar o valor do pH. Depois disso, a solução é transferida para uma autoclave, e uma certa espessura pode ser cultivada no substrato após um certo tempo de reação.

Preparação hidrotérmica de filmes grossos tem muitas vantagens:

① O processo é concluído na fase líquida de uma só vez, e nenhum tratamento térmico pós-cristalização é necessário, evitando assim defeitos, como rachaduras, ruigos de grãos, reação com o substrato ou atmosfera que pode ser causada durante o processo de tratamento térmico;

② Materiais intergânicos são usados ​​como precursores, e a água é usada como meio de reação. As matérias-primas estão facilmente disponíveis, o que reduz o custo da preparação do cinema e tem menos poluição ambiental;

③ O equipamento é simples, e a temperatura do tratamento hidrotermal é baixa, o que evita a interdifusão dos componentes do filme e do substrato antes e após o tratamento hidrotermal. O filme resultante tem alta pureza e boa uniformidade. Além disso, quando este método é usado para preparar filmes grossos, os filmes grossos podem ser depositados em superfícies de substrato de várias formas complexas. Os filmes grossos resultantes têm certas vantagens da polarização espontânea, baixa histerese e boa ligação com substratos. . Atualmente, este método atraiu mais e mais atenção.

6. Método de Deposição Eletroforética

Deposição eletroforética (EPD) refere-se a dispersar o pó fino preparado com a mesma composição que a película espessa na suspensão para formar uma suspensão com diferentes concentrações, e ajustando o valor de pH da suspensão com solução de base ácida. A suspensão estável é obtida através de dispersão ultra-sônica e agitação magnética, e sob pressão constante, as partículas carregadas movem-se direccionalmente sob a ação do campo elétrico, obtendo assim um filme espesso com uma certa espessura. O filme espesso preparado por este método tem as vantagens de equipamentos simples, formação de filme rápido, forma ilimitada das partes chapeadas, espessura de filme uniforme e controlável, etc. O filme espesso resultante pode atingir dezenas de microns, e a composição é uniforme e densa .