压电薄膜的性制备与应用Word文档下载推荐.docx

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电极化的改变致使介质与极化方向垂直的两头面显现了等量反号的束缚电荷转变，这是由于压力造成了电荷的转变，这确实是压电性的由来。

具有这一性质的材料称为压电材料。

压电效应还有逆压电效应。

逆压电效应是指：

当在材料的必然方向上施加外部电场时，该材料的对应方向上产生内应力和应变现象。

其应力和应变同所施的电场强度成正比。

逆压电效应又称为电致变形现象，压电效应又称被称为正压电效应[3]。

压电材料是实现机械能与电能彼此转换的功能材料，它的进展有着十分悠长的历史。

自19世纪80年代居里兄弟在石英晶体上发觉了压电效应后，压电材料开始引发人们的普遍注意，压电材料的研究和进展迅速展开。

随着研究深切，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。

这些材料有着十分普遍的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。

压电薄膜材料是重要的信息功能材料[1-7]，它能够实现声信号与电信号之间的转变。

微晶择优取向的压电薄膜材料兼备单晶和陶瓷的优势，即表面滑腻致密，易于制备，价钱低廉，便于调剂性能，并靠得住稳固，更重要的是利用压电薄膜能够使器件达到平面化和集成化。

压电薄膜材料在实际生产的各个领域均有比较多的应用。

目前对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方向进展，其基础研究也向分子层次、原子层次、纳米层次、介观结构等方向深切，因此功能薄膜材料的研究具有重大意义。

2压电薄膜材料的性能

介电常数

尽管压电薄膜为单晶薄膜或为择优取向的多晶薄膜[8]，可是在其中的原子堆积却不像在晶体中那样紧密和有序，因此压电薄膜的介电常数值与晶体的数值有不同。

除此之外，还有在薄膜中常有的较大的残留内应力和测量上的缘故，也致使薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。

已有研究说明：

压电薄膜的介电常数不但与晶体方向有关，而且还依从于测试条件。

压电薄膜的介电常数有相当大分散性的缘故，除内应力大小和测试条件不同之外，海印薄膜成份偏离化学式计量比和薄膜厚度的不同；

一样以为，薄膜的介电常数随厚度减薄而变小。

另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率的转变也会发生明显的转变。

2.2体积电阻率

从降低压电薄膜的介质损耗和弛豫频率来讲，都希望它具有很高的电阻率，至少应该。

AlN薄膜的电阻率为～，远高于，因此在这一方面，AlN是十分优良的薄膜。

另外，AlN压电薄膜的电导性随温度的转变也服从规律。

有压电效应的晶体都不具有对称中心，因此其电子迁移率也是各向异性的，电导率也是各不相同的。

AlN压电薄膜沿C轴方向的电导率就不同于垂直C轴的方向，前者约小1～2个数量级。

2.3损耗角正切

AlN压电薄膜的介质损耗角正切tanδ=～,ZnO薄膜的tanδ那么较大，为～。

这些薄膜的tanδ之因此有如此大，是由于这些薄膜中除有电导进程之外，还存在着显著的弛豫现象。

与介质薄膜类似，压电厚膜的tanδ随温度和频率的上升和湿度的增大，都慢慢增大。

另外，在薄膜厚度减少时，tanδ趋向于增大。

显然，tanδ随温度的上升是由于电导的变大和弛豫子的增多，它随频率增大时因为时刻内弛豫次数增多。

2.4击穿强度

因为电介质的击穿场强属于强度参数，而且在薄膜中又不免有各类缺点，因此压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性；

安电介质的击穿理论，关于完整无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而慢慢增大。

可是事实上，因为薄膜中含有很多缺点，厚度越小时缺点的阻碍越显著，因此在厚度减到必然数值时，薄膜的击穿场强反而急剧变小。

对薄膜击穿场强，除薄膜自身的缘故外，还有在测试时电极边缘的阻碍。

由于薄膜越厚，电极边缘的电场越不均匀，因此随薄膜厚度的增加，其击穿场强慢慢降低。

除以上几种因素外，介质薄膜的击穿场强还依从于薄膜结构。

关于压电薄膜，其击穿场强还依从于电场方向，即它在击穿场强方面也是各向异性的。

由于多晶薄膜存在着晶界，因此它的击穿场强低于非晶薄膜；

因为类似的缘故，择优取向的压电薄膜在晶粒取向方向上的击穿场强，比垂直该方向上的击穿场强较低。

与其他介质薄膜一样，压电薄膜的击穿场强还依从于一些外部因素，如电压波形、频率、温度和电极等。

因为压电薄膜的击穿场强与多种因素有关，因此关于同一种薄膜，各有关文献上报导的击穿场强数值常不一致，乃至不同较大，例如ZnO薄膜的击穿场强为～cm，AlN薄膜为～cm。

2.5体声波性能

体声波压电转换器的最重要的特性参数是谐振频率f0，声阻抗Za和机电耦合系数K，因此对压电薄膜的声速υ及温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求专门严格。

而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等紧密相关。

在压电薄膜中，由于晶粒的缺点和应变较多，因此它不是完好的单晶，因此薄膜的物理常数与晶体数值有一点不同。

由于压电薄膜的组织结构与制备工艺紧密相关，因此即便关于同一种压电薄膜，各类文献报导的性能数值也常不一致。

在所有无机非铁性压电薄膜中，AlN薄膜的弹性常数大，密度却较小，声速最大因此该薄膜最适合于超高频和微波器件。

2.6表声波性能

表声波在压电介质中传播时，其质点位移振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速衰减，因此表声波能量要紧集中在表面下一两个波长的范围内。

薄膜材料的表声波性能能够表述为以下函数式：

表声波性能=F（原材料，基片，薄膜结构，波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度波数积）

因此，关于压电薄膜的任一表声波性能参数，都不能用单一数值表示。

压电薄膜的另一个声波性能是传输损耗。

因为在表面波器件中压电薄膜也常是兼做传声介质，传输损耗的来源主若是声波在压电薄膜和基片中的散射。

3压电薄膜的制备方式

压电薄膜的制备方式要紧有传统的真空镀膜方式[11-13]，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积镀膜是制备厚度在0～18μm，新型溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法是制备10～100μm的压电厚膜材料（压电厚膜一般是指厚度为10～100μm的压电膜,与薄膜相较,

它的压电、铁电性能较少受界面、表面等的阻碍；

由于它的厚度比较大，因此这种材料也能产生大的驱动力,且具有更宽的工作频率；

与块体材料相较，其工作电压低、利用频率高、与半导体工艺兼容。

）。

下面对这几种方式进行一一的介绍。

真空蒸发镀膜

真空蒸发镀膜是通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。

这种方式最先由M.法拉第于1857年提出，现代已成为经常使用镀膜技术之一。

真空蒸发镀膜包括以下三个大体进程：

（1）加热蒸发进程，包括由凝聚相转变成气相（固相或液相→气相）的镶边进程。

每种蒸发物质在不同温度时有不同的饱和蒸汽压，蒸发化合物时，其组分之间发生反映，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。

（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输，及这些例子在环境气氛中的飞行进程。

飞行进程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程和从蒸发源到基片之间的距离，常称为源-基距。

（3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉淀进程，及蒸气凝聚、成核、核生长、形成持续薄膜。

由于基板温度远低于蒸发源温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相的相转变进程。

在物质蒸发时，了解物质的饱和蒸汽压、蒸发速度和蒸发分子的平均自由程是要紧的。

蒸发源有三种类型。

①电阻加热源：

用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（电阻加热源要紧用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。

②高频感应加热源：

用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。

③电子束加热源：

适用于蒸发温度较高（不低于2000[618-1]）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。

为沉积高纯单晶膜层，可采纳分子束外延方式。

喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到必然温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。

基片被加热到必然温度，沉积在基片上的分子能够徙动，按基片晶格顺序生长结晶用分子束外延法可取得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可操纵在1单层／秒。

通过操纵挡板,可精准地做出所需成份和结构的单晶薄膜。

分子束外延法普遍用于制造各类光集成器件和各类超晶格结构薄膜

3.2真空溅射镀膜

用带有几百电子伏特以上动能的例子或离子束轰击固体表面[14-15]，使靠近固体表面的原子取得入射粒子所带的能量的一部份而离开固体进入到真空中，这种现象称为溅射。

溅射现象涉及复杂的散射进程，同时还伴有各类能量传递机制。

一样以为这一进程主若是所谓的碰撞联级进程，即入射离子与靶原子发生弹性碰撞，，从而使靶原子取得取得足够的能量克服周围原子形成的势垒后离开原有位置，并进一步和周围的原子发生碰撞。

当这种碰撞联级达到靶原子表面使原子取得高于表面结合能的能量时，这些原子就会离开靶原子表面而进入真空。

此刻关于溅射镀膜研究得比较多的是磁控溅射镀膜。

磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必需有效地提高气体的离化率。

通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方式。

利用外加磁场捕捉电子，延长和束缚电子的运动途径，弄高离化率，增加镀膜速度。

3.3化学气相沉积镀膜

化学气相沉积是一种化学气相生长方式，简称CVD（ChemicalVaporDeposition）技术。

这种方式是把含有组成薄膜元素的一种或几种化合物单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基体表面的化学反映生成要求的薄膜。

由于CVD法是利用各类气体反映来制备薄膜[17]

，因此能够任意操纵薄膜的组成，从而能够制得许多新的膜材。

采纳CVD法制备薄膜时，其生长温度显著低于薄膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性好，具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基板。

由于其具有淀积速度高、膜层针孔少、纯度高、致密、形成晶体的缺点少等优势，因此化学气相沉积的应用范围超级的广。

利用CVD法能够制备致密、表面滑腻、厚度在0～18μm，性能优良的压电厚膜材料。

因此在压电厚膜的制备中，CVD法进展专门快，已被很多的研究者采纳。

3.4新型溶液凝胶法

新型溶胶凝胶法是将制备好的粉体（成份与溶胶相同）加入到溶胶中，再在溶液中加入必然的有机溶剂作为分散剂，加入其它有机溶剂调剂溶液的粘度和酸碱度，最后进行不持续的超声振荡使溶液中的纳米粉体分散，最后取得均匀的粉体溶液，在用溶胶凝胶法在基片沉积所需要的膜[18]。

在那个沉积进程中，粉体粒子起着籽晶的作用。

用这种方式能够制得厚度达几十微米的厚膜。

它幸免了传统溶胶凝胶方式在制备厚膜是产生的膜开裂乃至膜脱落的问题。

制备出来的厚膜成份混合均匀、纯度高，不需要高温烧结，所得的厚膜能与半导体的制备工艺兼容。

而且设备简单、本钱低、膜成份可操纵，因此这种方式是目前利用比较多的一种方式[19,20]。

3.5水热法

水热法是指在特制的密闭反映容器（高压釜）里，采纳水溶液作为反映介质，通过对反映容器加热，制造一个高温、高压反映