Piezoelektrische Materialien sind funktionelle Materialien, die die Umwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie realisieren (2)

Methode zur Vorbereitung von Piezoelektrikum

Die Herstellungsmethoden von piezoelektrischen Dünnfilmen sind hauptsächlich herkömmliche Vakuumbeschichtungsmethoden, einschließlich Vakuumverdampfung, Sputterbeschichtung, chemischer Dampfabscheidungsbeschichtung wird in einer Dicke von 0 ~ 18 & mgr; m hergestellt 10-100 μm piezoelektrisches dickes Filmmaterial.

Dicker piezoelektrischer Film bezieht sich normalerweise auf einen piezoelektrischen Film piezoelektrischer Hemisphäre -Wandlerweine Dicke von 10 bis 100 μm. Im Vergleich zum Dünnfilm sind seine piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von Grenzfläche und Oberfläche weniger beeinflusst. Aufgrund seiner relativ großen Dicke kann diese Art des Materials auch eine große treibende Kraft erzeugen und eine breitere Betriebsfrequenz aufweist. Im Vergleich zum Massenmaterial ist seine Betriebsspannung gering, die Nutzungsfrequenz ist hoch und mit Halbleiterprozessen kompatibel.

1. Vakuumverdampfung Beschichtung

Durch die Vakuumverdampfung wird eine Substanz durch Erhitzen verdampft und auf einer festen Oberfläche abgelegt, die als Verdunstungsbeschichtung bezeichnet wird. Diese Methode wurde erstmals 1857 von M. Faraday vorgeschlagen, und die Modernisierung ist zu einer der häufig verwendeten Beschichtungstechnologien geworden.

Die Vakuumverdampfung umfasst die folgenden drei Grundprozesse:

(1) Der Heiz- und Verdampfungsprozess einschließlich des Kantenprozesses von der kondensierten Phase bis zur Gasphase (Festphase oder Flüssigkeitsphase → Gasphase). Jede Verdampfsubstanz hat bei unterschiedlichen Temperaturen einen anderen gesättigten Dampfdruck. Beim Verdampfen einer Verbindung reagieren ihre Komponenten und einige von ihnen in den Verdampfungsraum in gasförmiger Zustand oder Dampf.

(2) Der Transport von verdampften Atomen oder Molekülen zwischen der Verdunstungsquelle und dem Substrat und dem Flugprozess dieser Beispiele in der Umgebungsatmosphäre. Die Anzahl der Kollisionen mit Restgasmolekülen in der Vakuumkammer während des Fluges hängt vom durchschnittlichen freien Pfad der verdampften Atome und dem Abstand von der Verdunstungsquelle zum Substrat ab, die häufig als Quellbasisentfernung bezeichnet wird.

(3) Der Niederschlagsprozess von verdampften Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche des Substrats und der Dampfkondensation, der Keimbildung, des Kernwachstums und der Bildung eines kontinuierlichen Films. Da die Temperatur des Substrats viel niedriger ist als die Temperatur der Verdunstungsquelle, der Phasenübergangsprozess der Lagermoleküle auf der SubstratoberflächePiezo -Keramik -Piezoelektrikumtritt direkt von der Gasphase bis zur festen Phase auf ....

Wenn eine Substanz verdunstet, ist es wichtig, den gesättigten Dampfdruck, die Verdunstungsrate und den durchschnittlichen freien Weg der verdampften Moleküle zu kennen. Es gibt drei Arten von Verdunstungsquellen.

①Ressistanzheizungsquelle: aus feuerfesten Metallen wie Wolfram und Tantal aus Bootsfolie oder Filament, der Strom zum Erhitzen des Verdunstungsmaterials über ihm oder in den Schmelztiegel gelegt wird (Widerstandsheizungsquelle wird hauptsächlich zum Verdampfen von Cd, Pb, Ag, Al verwendet , Cu, Cr, Au, Ni und andere Materialien.

② Hochfrequenzinduktionsheizungsquelle: Erhitzen des Schmelz- und Verdampfmaterials mit Hochfrequenzinduktionsstrom.

③ Elektronenstrahlheizungsquelle: Geeignet für Materialien mit hoher Verdampfungstemperatur (mindestens 2000), dh das Material mit Elektronenstrahl bombardieren, um es zu verdampfen.

Um einen Einkristallfilm mit hoher Purity abzulegen, kann die Epitaxie der molekularen Balken verwendet werden. Der Jetofen ist mit einer Molekularstrahlquelle ausgestattet. Wenn es unter ultrahoher Vakuum auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, ist diePiezo -Scheibe WandlerElemente im Ofen sind als ein Strahl des molekularen Flusses auf das Substrat gerichtet. Das Substrat wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, die auf dem Substrat abgelagerten Moleküle können wandern, und die Kristalle werden in der Größenordnung des Substratgitters gezüchtet. Das Molekularstrahl -Epitaxy -Verfahren kann einen einzelnen Kristallfilm mit hoher Reinheitsverbindung mit dem erforderlichen stöchiometrischen Verhältnis erhalten, und der Film wird am langsamsten. Die Geschwindigkeit kann bei 1 Einzelschicht/Sekunde gesteuert werden. Durch die Steuerung der Schalldämmung können einzelne Piezo -Kristall -Dünnfilme mit gewünschter Zusammensetzung und Struktur genau hergestellt werden. Die Molekülstrahl -Epitaxie wird häufig verwendet, um verschiedene optische integrierte Geräte und verschiedene Superlattice -Strukturfilme herzustellen

2. Vakuum -Sputterbeschichtung

Ein Beispiel mit einer kinetischen Energie von mehr als einigen hundert Elektronenvolt oder einem Ionenstrahl bombardiert die feste Oberfläche, so dass die Atome nahe der festen Oberfläche einen Teil der Energie der einfallenden Partikel erhalten und den Feststoff in das Vakuum betreten lassen . Dieses Phänomen wird als Sputter bezeichnet. Das Sputter -Phänomen beinhaltet einen komplexen Streuvorgang und wird von verschiedenen Energieübertragungsmechanismen begleitet.

Es wird allgemein angenommen, dass dieser Prozess hauptsächlich der sogenannte Kollisionskaskadenprozess ist, dh die einfallenden Ionen kollidieren elastisch mit den Zielatomen Die ursprüngliche Position und weitere und nahe gelegene Atome kollidieren. Wenn diese Kollisionskaskade die Oberfläche des Zielatoms erreicht, sodass die Atome Energie höher als die Oberflächenbindungsenergie erhalten, verlässt diese Atome die Oberfläche des Zielatoms und treten in ein Vakuum ein. Jetzt sind mehr Forschung zur Sputterbeschichtung die Magnetron -Sputterbeschichtung. Magnetron-Sputter besteht darin, Hochgeschwindigkeitssputter unter niedrigem Druck durchzuführen, und es ist erforderlich, die Ionisierungsrate des Gases effektiv zu erhöhen. Durch die Einführung eines Magnetfelds auf die Zielkathodenoberfläche wird das Magnetfeld verwendet, um die geladenen Partikel einzuschränken, um die Plasmaplasendichte zu erhöhen, um die Sputterrate zu erhöhen. Verwenden Sie ein externes Magnetfeld, um Elektronen zu erfassen, den Bewegungsweg von Elektronen zu erweitern und zurückzuhalten, die Ionisationsrate zu erhöhen und die Beschichtungsrate zu erhöhen.

4. Neue Lösungsgelmethode

Die neue Sol-Gel-Methode besteht darin, das vorbereitete Pulver (gleiche Zusammensetzung wie SOL) zum SOL hinzuzufügen und dann ein bestimmtes organisches Lösungsmittel zur Lösung als Dispergiermittel hinzuzufügen und andere organische Lösungsmittel hinzuzufügen, um die Viskosität und den pH-Wert des Lösung. Durch kontinuierliches Ultraschallvibrationsverlust dispendiert der Nanopulver in der Lösung und erhält schließlich eine gleichmäßige Pulverlösung und legt den erforderlichen Film auf dem Substrat mit der Sol-Gel-Methode ab. In diesem Abscheidungsprozess wirken die Pulverpartikel als Samenkristalle.

Auf diese Weise kann ein dicker Film mit einer Dicke von Zehnmikronen produziert werden. Es vermeidet das Problem, das durch die traditionelle Sol-Gel-Methode erstellt zu werden oder sogar zu filmen, wenn der dicke Film verursacht wird. Die vorbereiteten dicken Filmkomponenten sind gleichmäßig gemischt und in der Reinheit hoch und benötigen kein Hochtemperatursintern. Der resultierende dicke Film ist mit dem Halbleitervorbereitungsprozess kompatibel. Und die Ausrüstung ist einfach, die Kosten sind gering und die Membranzusammensetzung kann kontrolliert werden, sodass diese Methode derzeit häufiger angewendet wird.

5. Hydrothermale Methode

Das hydrothermale Verfahren bezieht sich auf die Verwendung einer wässrigen Lösung als Reaktionsmedium in einem speziell hergestellten geschlossenen Reaktionsgefäß (Autoklaven). Durch Erhitzen des Reaktionsgefäßs wird eine Hochtemperatur und Hochdruckreaktionsumgebung erzeugt, so dass normalerweise unlösliche oder unlösliche Substanzen gelöst und rekristallisiert werden. Der durch diese Methode erstellte dicke Film besteht darin, einige Verbindungen in der dicken Filmkomponente stöchiometrisch zu mischen, die in eine gesättigte Lösung in einem bestimmten alkalischen Medium hergestellt werden und den pH -Wert einstellen. Danach wird die Lösung in einen Autoklaven übertragen, und nach einer bestimmten Reaktionszeit kann eine bestimmte Dicke auf dem Substrat angebaut werden.

Die hydrothermale Vorbereitung dicker Filme hat viele Vorteile:

① Der Prozess wird in der flüssigen Phase gleichzeitig abgeschlossen, und es ist keine Wärmebehandlung nach der Kristallisation erforderlich, wodurch Defekte wie Risse, Getreideverkosenung, Reaktion mit dem Substrat oder der Atmosphäre, die während des Wärmebehandlungsprozesses verursacht werden können, vermieden werden.

②Inorganische Materialien werden als Vorläufer verwendet, und Wasser wird als Reaktionsmedium verwendet. Die Rohstoffe sind leicht verfügbar, wodurch die Kosten der Filmvorbereitung gesenkt werden und weniger Umweltverschmutzung aufweist.

③ Die Ausrüstung ist einfach und die Temperatur der hydrothermalen Behandlung ist gering, was die Interdiffusion der Film- und Substratkomponenten vor und nach der hydrothermalen Behandlung vermeidet. Der resultierende Film hat eine hohe Reinheit und eine gute Einheitlichkeit. Wenn diese Methode zur Herstellung dicker Filme verwendet wird, können dicke Filme auf Substratoberflächen verschiedener komplexer Formen abgelagert werden. Die resultierenden dicken Filme haben bestimmte Vorteile der spontanen Polarisation, einer geringen Hysterese und einer guten Bindung mit Substraten. . Gegenwärtig hat diese Methode immer mehr Aufmerksamkeit erregt.

6. Elektrophoretische Abscheidungsmethode

Die elektrophoretische Ablagerung (EPD) bezieht sich darauf, das vorbereitete Feinpulver mit der gleichen Zusammensetzung wie der dicke Film in der Suspension zu zerstreuen, um eine Suspension mit unterschiedlichen Konzentrationen zu bilden und den pH-Wert der Suspension mit Säure-Base-Lösung einzustellen. Die stabile Suspension wird durch Ultraschalldispersion und magnetisches Rühren erhalten, und unter konstantem Druck bewegen sich die geladenen Partikel unter der Wirkung des elektrischen Feldes, wodurch ein dicker Film mit einer bestimmten Dicke erhalten wird. Der mit dieser Methode erstellte dicke Film hat die Vorteile einfacher Ausrüstung, schneller Filmbildung, unbegrenzte Form der plattierten Teile, gleichmäßige und kontrollierbare Filmdicke usw. Der resultierende dicke Film kann zehn Mikrometer erreichen, und die Zusammensetzung ist gleichmäßig und dicht .