科(ke)技(ji)前沿：2022精科(ke)智創關於(yu)壓電薄膜(mo)研究進(jin)展跟(gen)蹤(zong)報(bao)道

　　1880年(nian)，J.Curie和(he)P.Curie兩(liang)兄(xiong)弟(di)首先(xian)發現了(le)電(dian)氣(qi)石具(ju)有(you)壓電效應，1881年，他們通過(guo)實(shi)驗驗(yan)證了(le)壓電效應。當某些(xie)物(wu)質(zhi)沿其壹(yi)定的(de)方向施(shi)加(jia)壓力(li)或拉力(li)時，隨(sui)著(zhe)形(xing)變(bian)的(de)產(chan)生，會在(zai)其某兩(liang)個(ge)相對(dui)的(de)表面產(chan)生符(fu)號相(xiang)反的(de)電荷(he)，當外力(li)去掉形(xing)變(bian)消失(shi)後，又重(zhong)新回到不帶電(dian)的(de)狀態(tai)，這種(zhong)現象(xiang)稱為“正壓電效應"；反之(zhi)，在(zai)極(ji)化(hua)方(fang)向上施(shi)加(jia)電(dian)場，它又會產(chan)生機械(xie)形(xing)變(bian)，這種(zhong)現象(xiang)稱為“逆(ni)壓電效應"。換(huan)言(yan)之(zhi)，機械(xie)能(neng)轉變(bian)為(wei)電(dian)能(neng)即(ji)為正壓電效應，電能轉變(bian)為(wei)機械(xie)能(neng)為逆壓電效應。

　　采(cai)用(yong)壹(yi)定方(fang)法，使處於某種(zhong)狀態(tai)的(de)壹(yi)種(zhong)或(huo)幾(ji)種物(wu)質(zhi)的(de)基(ji)團(tuan)以物(wu)理或(huo)化(hua)學方(fang)式(shi)附(fu)著(zhe)於襯底(di)材料(liao)表面，在襯底(di)材料(liao)表面形(xing)成(cheng)壹(yi)層新的(de)物(wu)質(zhi)，這層新物(wu)質(zhi)就是(shi)薄(bo)膜(mo)。而具(ju)有(you)壓電效應的(de)薄膜(mo)稱為壓電薄膜(mo)。

　　1.2.1壓電薄膜(mo)的(de)發展背(bei)景及研究意義(yi)

　　隨(sui)著(zhe)人們對(dui)電(dian)子(zi)、導航和(he)生物(wu)等(deng)高新技術(shu)領域(yu)的(de)發展要求(qiu)越來(lai)越(yue)高，壓電塊體材(cai)料尺(chi)寸大、應用頻(pin)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)特點限制(zhi)了(le)它(ta)在(zai)高頻(pin)領域(yu)的(de)應用。為了(le)順(shun)應信(xin)息(xi)技術(shu)的(de)集成(cheng)化(hua)、智能化(hua)、微(wei)型化(hua)、精確化(hua)發(fa)展，壓電材料的(de)薄膜(mo)化(hua)成(cheng)為其發(fa)展的(de)必然趨勢。壓電薄膜(mo)的(de)發展歷(li)史可以從(cong)20世紀(ji)60年代(dai)說(shuo)起(qi)，1963年(nian)，美(mei)國的(de)Foster發表了(le)用(yong)CdS薄(bo)膜(mo)生產(chan)VHF及UHF頻(pin)帶(dai)的(de)體超聲換(huan)能器(qi)[2]，隨(sui)後(hou)人們開始(shi)了(le)壓電薄膜(mo)的(de)探究歷史(shi)。80年(nian)代(dai)初(chu)，美軍(jun)因航空(kong)航天(tian)提出(chu)“智能"結構[3]概(gai)念(nian)，壓電薄膜(mo)的(de)研究更是(shi)取得了(le)長足(zu)進(jin)步。現如今(jin)，世界各國都在(zai)爭相研(yan)發(fa)壓電薄膜(mo)新技術(shu)，壓電薄膜(mo)在國民經(jing)濟(ji)發(fa)展和(he)國防科(ke)技(ji)建(jian)設(she)中占(zhan)有(you)十(shi)分(fen)重(zhong)要的(de)戰略(lve)地(di)位(wei)。

　　1.2.2壓電薄膜(mo)特性(xing)參數(shu)

　　壓電薄膜(mo)是(shi)壹(yi)種(zhong)柔(rou)性(xing)、質(zhi)輕(qing)、高韌度塑(su)料膜(mo)並可制成(cheng)多種(zhong)厚度和(he)較(jiao)大面積，可以通(tong)過(guo)特殊(shu)方式實(shi)現與(yu)微(wei)機電系(xi)統工藝的(de)結合，制造(zao)成(cheng)為微(wei)機電系(xi)統意義(yi)上的(de)微型傳(chuan)感器[4]和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)。壓電薄膜(mo)所具(ju)有(you)的(de)正逆壓電效應使其既(ji)可以作(zuo)為(wei)傳(chuan)感部件(jian)，也可以作(zuo)為(wei)執(zhi)行(xing)部件(jian)；應用頻(pin)率(lv)高且便(bian)於調(tiao)變(bian)；有(you)良(liang)好的(de)線性(xing)關系(xi)；性(xing)能可靠穩(wen)定。PVDF壓電薄膜(mo)通常(chang)很薄(bo)、柔軟(ruan)、密度低(di)、靈(ling)敏(min)度且機械(xie)韌性(xing)好。表1.1以(yi)PVDF壓電薄膜(mo)為例(li)，列(lie)出(chu)了(le)壓電薄膜(mo)的(de)典型特征(zheng)參(can)數。

前國內研(yan)究壓電薄膜(mo)材料較(jiao)多，PZT壓電薄膜(mo)、PVDF壓電薄膜(mo)、ZnO壓電薄膜(mo)、AlN壓電薄膜(mo)、KNN壓電薄膜(mo)等都是(shi)較(jiao)為常(chang)見的(de)壓電薄膜(mo)。本文將對(dui)壓電薄膜(mo)的(de)制備(bei)方(fang)法、應用狀況以(yi)及研究中存在(zai)的(de)問題(ti)和發展趨勢作(zuo)簡(jian)要綜(zong)述。

　　目前，壓電薄膜(mo)的(de)制備(bei)方(fang)法有(you)很(hen)多(duo)，包(bao)括(kuo)真空(kong)蒸(zheng)發(fa)鍍膜(mo)、濺(jian)射(she)鍍膜(mo)、化(hua)學氣(qi)相沈積(ji)鍍膜(mo)、分子(zi)束外(wai)延鍍膜(mo)以及溶膠凝(ning)膠法鍍膜(mo)等。下面對(dui)幾(ji)種主要的(de)壓電薄膜(mo)制備(bei)方(fang)法進(jin)行(xing)壹(yi)壹(yi)介(jie)紹。

　　2.1.1 AlN壓電薄膜(mo)的(de)制備(bei)

　　AlN壓電薄膜(mo)多采用(yong)磁控濺(jian)射(she)法來制備(bei)。磁(ci)控(kong)濺(jian)射(she)法是(shi)通(tong)過(guo)電子(zi)輝(hui)光(guang)放(fang)電(dian)來轟(hong)擊靶材(cai)，使(shi)靶材(cai)上原(yuan)子(zi)脫落並運動(dong)到基(ji)片(pian)表面實(shi)現原子(zi)沈積(ji)，再(zai)經(jing)過(guo)熱處理結晶得到所需(xu)薄膜(mo)。磁控濺(jian)射(she)是(shi)為(wei)了(le)在(zai)低(di)氣(qi)壓下進(jin)行(xing)高速濺(jian)射(she)，必須(xu)有(you)效地(di)提高氣(qi)體的(de)離化(hua)率(lv)。通(tong)過(guo)在靶陰極表面引入(ru)磁(ci)場，利(li)用(yong)磁(ci)場對(dui)帶(dai)電粒(li)子(zi)的(de)約(yue)束(shu)來(lai)提高等(deng)離子(zi)體密(mi)度以(yi)增加(jia)濺(jian)射(she)率(lv)。利(li)用(yong)外(wai)加(jia)磁(ci)場捕捉電(dian)子(zi)，延長和束縛電子(zi)的(de)運動(dong)路徑(jing)，提高離(li)化(hua)率(lv)，增(zeng)加(jia)鍍膜(mo)速率。這種(zhong)技(ji)術(shu)近年(nian)來發展比(bi)較(jiao)成(cheng)熟，具(ju)有(you)設(she)備(bei)便(bian)宜、材(cai)料(liao)利(li)用(yong)率(lv)高、成(cheng)膜(mo)快且薄膜(mo)附著(zhe)力(li)大等(deng)優(you)點。下圖(tu)1為(wei)反應磁控濺(jian)射(she)結構示意圖：

D.Manova等(deng)[5]采(cai)用直流磁(ci)控反應濺(jian)射(she)鍍膜(mo)工藝，在(zai)低(di)碳(tan)鋼(gang)、單(dan)晶KCl襯底(di)上制(zhi)備(bei)出(chu)了(le)表面平滑，均(jun)質(zhi)無(wu)裂痕(hen)，180nm厚的(de)多晶AlN薄膜(mo)。武海順等[6]用(yong)直流磁(ci)控反應濺(jian)射(she)鍍膜(mo)工藝，於(yu)不同(tong)濺(jian)射(she)氣(qi)壓、功率、靶基(ji)距條(tiao)件(jian)下分別在(zai)Si（111）基(ji)片(pian)上沈(chen)積制(zhi)備(bei)出(chu)了(le)表面粗糙(cao)度小(xiao)、組成(cheng)均(jun)勻的(de)AlN薄膜(mo)。Rille E.等[7]采用(yong)直流磁(ci)控反應濺(jian)射(she)鍍膜(mo)工藝，控(kong)制(zhi)氬(ya)氣(qi)與(yu)氮(dan)氣(qi)1:3和3:1的(de)體積(ji)比(bi)，制(zhi)備(bei)了(le)六(liu)方(fang)體多(duo)晶AlN薄膜(mo)。隨(sui)著(zhe)高功(gong)率激光(guang)脈(mai)沖(chong)技術(shu)的(de)發展，脈(mai)沖(chong)激光(guang)沈(chen)積(ji)（PLD）憑借(jie)其優(you)點和應用潛力(li)逐(zhu)漸(jian)被人們認知並應用於制備(bei)AlN薄(bo)膜(mo)。但由(you)於PLD工藝難(nan)以(yi)制(zhi)備(bei)大面積AlN薄(bo)膜(mo)，JiPo Huang等[8]發明(ming)了(le)壹(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)新穎的(de)氮化(hua)工(gong)藝制(zhi)備(bei)AlN薄(bo)膜(mo)。首先(xian)，將高純(chun)鋁於超高真(zhen)空電子(zi)束下(xia)蒸(zheng)發(fa)至(zhi)襯底(di)上制(zhi)備(bei)壹(yi)定厚(hou)度的(de)Al膜(mo)層；然後把鋁膜(mo)層放於高溫石(shi)英(ying)爐中，經(jing)流動(dong)高純(chun)氮氣(qi)進(jin)行(xing)氮(dan)化(hua)，最後得到AlN薄(bo)膜(mo)。近年(nian)來，稀土(tu)元(yuan)素和過(guo)度金(jin)屬元(yuan)素摻(chan)雜(za)改(gai)性(xing)AlN薄膜(mo)是(shi)提高AlN性(xing)能的(de)主要方(fang)式。張必壯[9]采用反應磁控濺(jian)射(she)工(gong)藝在(zai)高聲速藍寶(bao)石(shi)襯底(di)上制(zhi)備(bei)出(chu)不同(tong)含(han)量(liang)比(bi)例(li)的(de)Er/Sc共摻(chan)AlN薄(bo)膜(mo)。通過(guo)控制(zhi)薄膜(mo)成(cheng)分，設(she)計(ji)工藝參(can)數(shu)，逐(zhu)漸(jian)優化(hua)薄(bo)膜(mo)性(xing)質(zhi)。Jiahao Zhao等(deng)[10]報(bao)道了(le)壹(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)微納米制造技(ji)術(shu)的(de)高品(pin)質(zhi)柔(rou)性(xing)AlN壓電薄膜(mo)。通過(guo)濺(jian)射(she)法制備(bei)矽（100）上的(de)Mo/AlN/Al結構，然後(hou)進(jin)行(xing)深度反應，使用離子(zi)蝕(shi)刻(ke)技術(shu)去除(chu)用(yong)於支撐的(de)矽材(cai)料(liao)，獲(huo)得Mo/AlN/Al柔(rou)性(xing)夾(jia)層膜(mo)。

　　2.1.2 PVDF壓電薄膜(mo)的(de)制備(bei)

　　PVDF壓電薄膜(mo)的(de)制備(bei)方(fang)法較(jiao)多，有(you)靜(jing)電(dian)紡(fang)絲(si)法、溶液流延法、拉伸法[11.12]、真空蒸(zheng)發(fa)法、勻膠法等。溶液流延法是(shi)目(mu)前常(chang)用的(de)PVDF壓電薄膜(mo)制備(bei)方(fang)法，將PVDF溶於溶劑(ji)中超聲處理得到PVDF溶(rong)液(ye)，將(jiang)溶(rong)液滴(di)在(zai)幹(gan)凈(jing)玻(bo)璃片或矽片(pian)上流延鋪(pu)平，再(zai)經(jing)過(guo)熱處理得到PVDF薄(bo)膜(mo)。該方法在不同(tong)溫度下(xia)獲(huo)得的(de)晶型不同(tong)，低(di)溫獲(huo)得β晶型，高溫則(ze)以γ晶型為主。溶(rong)液(ye)流延法所制(zhi)得的(de)薄膜(mo)厚度可以很(hen)小(xiao)，透明(ming)度高，厚(hou)度的(de)均(jun)勻性(xing)好且不易(yi)摻(chan)混雜(za)質(zhi)。

　　電(dian)子(zi)科(ke)技(ji)大學王(wang)偲(cai)宇(yu)等[13]，運(yun)用溶液流延法制得了(le)不同(tong)濃(nong)度和(he)厚度的(de)PVDF薄膜(mo)，並發現在8wt%濃(nong)度時(shi)，PVDF薄膜(mo)中的(de)結晶區與(yu)非結晶區共存(cun)且晶型以非極(ji)性(xing)的(de)α晶型為主。駱懿(yi)等[14]利(li)用(yong)高壓靜電紡(fang)絲(si)工藝制(zhi)備(bei)PVDF/ZnO共(gong)聚(ju)物(wu)膜(mo)，通過(guo)在傳(chuan)統PVDF溶液中加(jia)入(ru)氧(yang)化(hua)鋅(xin)制(zhi)得PVDF共(gong)聚物(wu)膜(mo)，與(yu)PVDF膜(mo)相比(bi)，PVDF共(gong)聚物(wu)膜(mo)壓電性(xing)顯(xian)著提高。江蘇大學祝園(yuan)[15]采(cai)用電(dian)輔助(zhu)3D打印(yin)PVDF壓電薄膜(mo)，研究了(le)打印(yin)電(dian)壓對(dui)PVDF壓電薄膜(mo)由(you)α相向β相(xiang)轉變(bian)的(de)影(ying)響，同(tong)時(shi)探(tan)索(suo)了(le)不同(tong)溶(rong)劑(ji)體系(xi)和(he)PVDF不同(tong)質(zhi)量(liang)分數(shu)對(dui)PVDF薄(bo)膜(mo)結晶度和(he)β相含(han)量的(de)影(ying)響。