Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux fonctionnels qui réalisent la conversion entre l'énergie mécanique et l'énergie électrique (2)

Méthode pour préparer le film piézoélectrique

Les méthodes de préparation des films minces piézoélectriques sont principalement des méthodes traditionnelles de revêtement sous vide, y compris le revêtement d'évaporation du vide, le revêtement de pulvérisation, le revêtement de dépôt de vapeur chimique sont préparés dans une épaisseur de 0 ~ 18 μm, une nouvelle méthode sol-gel, une méthode hydrothermique, une méthode de dépôt électrophorétique est préparée 10-100 μm de film d'épaisseur piézoélectrique.

Le film piézoélectrique épais fait généralement référence à un film piézoélectrique Transducteur d'hémisphère piézoélectriquewavec une épaisseur de 10 à 100 μm. Par rapport au film mince, ses propriétés piézoélectriques et ferroélectriques sont moins affectées par l'interface et la surface; En raison de son épaisseur relativement grande, ce type de matériau peut également générer une grande force motrice et a une fréquence de fonctionnement plus large; Comparé au matériau en vrac, sa tension de fonctionnement est faible, la fréquence d'utilisation est élevée et elle est compatible avec les processus semi-conducteurs.

1. revêtement d'évaporation de l'aspirateur

Le revêtement d'évaporation sous vide consiste à évaporer une substance en le chauffant et à la déposer sur une surface solide, qui est appelée revêtement d'évaporation. Cette méthode a été proposée pour la première fois par M. Faraday en 1857, et la modernisation est devenue l'une des technologies de revêtement couramment utilisées.

Le revêtement d'évaporation sous vide comprend les trois processus de base suivants:

(1) Le processus de chauffage et d'évaporation, y compris le processus de bordure de la phase condensée à la phase gazeuse (phase solide ou phase liquide → phase gazeuse). Chaque substance évaporante a une pression de vapeur saturée différente à différentes températures. Lors de l'évaporation d'un composé, ses composants réagissent et certains d'entre eux entrent dans l'espace d'évaporation à l'état gazeux ou à la vapeur.

(2) Le transport d'atomes ou de molécules vaporisés entre la source d'évaporation et le substrat, et le processus de vol de ces exemples dans l'atmosphère ambiante. Le nombre de collisions avec des molécules de gaz résiduelles dans la chambre à vide pendant le vol dépend du libre parcours moyen des atomes évaporés et de la distance de la source d'évaporation au substrat, souvent appelé distance de base source.

(3) Le processus de précipitation des atomes ou des molécules vaporisés à la surface du substrat, et la condensation de vapeur, la nucléation, la croissance nucléaire et la formation d'un film continu. Étant donné que la température du substrat est bien inférieure à la température de la source d'évaporation, le processus de transition de phase des molécules de dépôt sur la surface du substratTransducteur piézoélectrique de la céramique piézotiquese produira directement de la phase gazeuse à la phase solide ...

Lorsqu'une substance s'évapore, il est important de connaître la pression de vapeur saturée, le taux d'évaporation et le libre parcours moyen des molécules évaporées. Il existe trois types de sources d'évaporation.

①Ressistance Sourage de chauffage: Fabriqué de métaux réfractaires tels que le tungstène et le tantale en feuille de bateau ou filament, passant le courant pour chauffer le matériau d'évaporation au-dessus ou placé dans le creuset (la source de chauffage de résistance est principalement utilisée pour évaporer CD, PB, AG, AL , Cu, Cr, Au, Ni et autres matériaux.

② Induction à haute fréquence Source de chauffage: chauffage du creuset et du matériau d'évaporation avec un courant d'induction à haute fréquence.

③ Source de chauffage du faisceau d'électrons: Convient aux matériaux à haute température d'évaporation (pas moins de 2000), c'est-à-dire à bombarder le matériau avec un faisceau d'électrons pour le faire s'évaporer.

Afin de déposer un film monocristalle de haute pureté, l'épitaxie du faisceau moléculaire peut être utilisée. Le four à réaction est équipé d'une source de faisceau moléculaire. Lorsqu'il est chauffé à une certaine température sous vide ultra-élevé, letransducteur du disque piézoLes éléments de la fournaise sont dirigés vers le substrat comme un faisceau d'écoulement moléculaire. Le substrat est chauffé à une certaine température, les molécules déposées sur le substrat peuvent migrer et les cristaux sont cultivés dans l'ordre du réseau de substrat. La méthode d'épitaxie du faisceau moléculaire peut obtenir un film à cristal monocristallé de composé de haute pureté avec le rapport stoechiométrique requis, et le film pousse le plus lent. La vitesse peut être contrôlée à 1 couche unique / seconde. En contrôlant les films minces de cristal piézo-piezo à défle, avec une composition et une structure souhaitées peuvent être réalisées avec précision. L'épitaxie du faisceau moléculaire est largement utilisée pour fabriquer divers dispositifs intégrés optiques et divers films de structure de superlattice

2. revêtement de pulvérisation de l'aspirateur

Un exemple avec une énergie cinétique de plus de quelques centaines d'électrons volts ou un faisceau ionique bombarde la surface solide, de sorte que les atomes proches de la surface solide obtiennent une partie de l'énergie des particules incidents et quittent le solide pour entrer dans le vide . Ce phénomène est appelé pulvérisation. Le phénomène de pulvérisation implique un processus de diffusion complexe et s'accompagne de divers mécanismes de transfert d'énergie.

On pense généralement que ce processus est principalement le processus de cascade dits de collision, c'est-à-dire que les ions incidents entrent en collision élastiquement avec les atomes cibles, de sorte que les atomes cibles obtiennent une énergie suffisante pour surmonter la barrière potentielle formée par les atomes environnants et quitter La position d'origine et les atomes plus loin et à proximité entrent en collision. Lorsque cette cascade de collision atteint la surface de l'atome cible afin que les atomes obtiennent une énergie plus élevée que l'énergie de liaison de surface, ces atomes quitteront la surface de l'atome cible et pénètrent dans un vide. Maintenant, plus de recherches sur le revêtement de pulvérisation sont le revêtement de pulvérisation de magnétron. La pulvérisation du magnétron consiste à effectuer une pulvérisation à grande vitesse sous basse pression, et il est nécessaire d'augmenter efficacement le taux d'ionisation du gaz. En introduisant un champ magnétique sur la surface de la cathode cible, le champ magnétique est utilisé pour restreindre les particules chargées pour augmenter la densité du plasma pour augmenter le taux de pulvérisation. Utilisez un champ magnétique externe pour capturer les électrons, étendre et retenir le chemin de mouvement des électrons, augmenter le taux d'ionisation et augmenter le taux de revêtement.

4. Nouvelle méthode de gel de solution

La nouvelle méthode sol-gel consiste à ajouter la poudre préparée (même composition que le sol) au SOL, puis à ajouter un certain solvant organique à la solution en tant que dispersant, et à ajouter d'autres solvants organiques pour ajuster la viscosité et le pH du la solution. Les vibrations ultrasoniques continues dispersent le nano-poudre dans la solution et obtient enfin une solution de poudre uniforme et dépose le film requis sur le substrat par la méthode sol-gel. Dans ce processus de dépôt, les particules de poudre agissent comme des cristaux de graines.

De cette façon, un film épais avec une épaisseur de dizaines de microns peut être produit. Il évite le problème de la fissuration ou même de la perte de films causée par le film épais préparé par la méthode traditionnelle sol-gel. Les composants de film épais préparés sont uniformément mélangés et élevés en pureté, et qui ne nécessitent pas de frittage à haute température. Le film épais résultant est compatible avec le processus de préparation des semi-conducteurs. Et l'équipement est simple, le coût est faible et la composition de la membrane peut être contrôlée, donc cette méthode est actuellement utilisée plus souvent.

5. Méthode hydrothermale

La méthode hydrothermale fait référence à l'utilisation d'une solution aqueuse comme milieu de réaction dans un récipient de réaction fermé spécialement fabriqué (autoclave). En chauffant le récipient de réaction, un environnement de réaction à haute température à haute pression est créé, de sorte que des substances normalement insolubles ou insolubles sont dissoutes et recristallisées. Le film épais préparé par cette méthode consiste à mélanger stœchiométriquement certains composés dans le composant de film épais pour être préparé dans une solution saturée dans un certain milieu alcalin et ajuster la valeur de pH. Après cela, la solution est transférée dans une autoclave et une certaine épaisseur peut être cultivée sur le substrat après un certain temps de réaction.

La préparation hydrothermale des films épais a de nombreux avantages:

① Le processus est achevé en phase liquide en même temps, et aucun traitement thermique post-cristallisation n'est nécessaire, évitant ainsi des défauts tels que la fissuration, le grossissement des grains, la réaction avec le substrat ou l'atmosphère qui peuvent être causées pendant le processus de traitement thermique;

Les matériaux inorganiques sont utilisés comme précurseurs et l'eau est utilisée comme milieu de réaction. Les matières premières sont facilement disponibles, ce qui réduit le coût de la préparation du film et a moins de pollution environnementale;

③ L'équipement est simple et la température du traitement hydrothermal est faible, ce qui évite l'interdiffusion des composants du film et du substrat avant et après le traitement hydrothermal. Le film résultant a une pureté élevée et une bonne uniformité. De plus, lorsque cette méthode est utilisée pour préparer des films épais, des films épais peuvent être déposés sur des surfaces de substrat de diverses formes complexes. Les films épais qui en résultent présentent certains avantages de la polarisation spontanée, de la faible hystérésis et de la bonne liaison avec des substrats. . À l'heure actuelle, cette méthode a attiré de plus en plus d'attention.

6. Méthode de dépôt électrophorétique

Le dépôt électrophorétique (EPD) fait référence à la dispersion de la poudre fine préparée avec la même composition que le film épais dans la suspension pour former une suspension avec différentes concentrations, et ajustant la valeur de pH de la suspension avec une solution acide-base. La suspension stable est obtenue par dispersion ultrasonique et agitation magnétique, et sous une pression constante, les particules chargées se déplacent directionnellement sous l'action du champ électrique, obtenant ainsi un film épais avec une certaine épaisseur. Le film épais préparé par cette méthode présente les avantages de l'équipement simple, de la formation de film rapide, de la forme illimitée des pièces plaquées, de l'épaisseur du film uniforme et contrôlable, etc. Le film épais résultant peut atteindre des dizaines de microns, et la composition est uniforme et dense .