科技前沿：2022精科智創關于壓電薄膜研究進展跟蹤報道

　　1880年，J.Curie和(hé)P.Curie兩兄弟(dì)首先發現了(le)電氣石具有壓電效應，1881年，他(tā)們通(tōng)過實驗驗證了(le)壓電效應。當某些物(wù)質沿其一定的(de)方向施加壓力或拉力時(shí)，随著(zhe)形變的(de)産生，會在其某兩個(gè)相對(duì)的(de)表面産生符号相反的(de)電荷，當外力去掉形變消失後，又重新回到不帶電的(de)狀态，這(zhè)種現象稱爲“正壓電效應"；反之，在極化(huà)方向上施加電場(chǎng)，它又會産生機械形變，這(zhè)種現象稱爲“逆壓電效應"。換言之，機械能轉變爲電能即爲正壓電效應，電能轉變爲機械能爲逆壓電效應。

　　采用(yòng)一定方法，使處于某種狀态的(de)一種或幾種物(wù)質的(de)基團以物(wù)理(lǐ)或化(huà)學方式附著(zhe)于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的(de)物(wù)質，這(zhè)層新物(wù)質就是薄膜。而具有壓電效應的(de)薄膜稱爲壓電薄膜。

　　1.2.1壓電薄膜的(de)發展背景及研究意義

　　随著(zhe)人(rén)們對(duì)電子、導航和(hé)生物(wù)等高(gāo)新技術領域的(de)發展要求越來(lái)越高(gāo)，壓電塊體材料尺寸大(dà)、應用(yòng)頻(pín)率較低的(de)特點限制了(le)它在高(gāo)頻(pín)領域的(de)應用(yòng)。爲了(le)順應信息技術的(de)集成化(huà)、智能化(huà)、微型化(huà)、精确化(huà)發展，壓電材料的(de)薄膜化(huà)成爲其發展的(de)必然趨勢。壓電薄膜的(de)發展曆史可(kě)以從20世紀60年代說起，1963年，美(měi)國的(de)Foster發表了(le)用(yòng)CdS薄膜生産VHF及UHF頻(pín)帶的(de)體超聲換能器[2]，随後人(rén)們開始了(le)壓電薄膜的(de)探究曆史。80年代初，美(měi)軍因航空航天提出“智能"結構[3]概念，壓電薄膜的(de)研究更是取得(de)了(le)長(cháng)足進步。現如今，世界各國都在争相研發壓電薄膜新技術，壓電薄膜在國民經濟發展和(hé)國防科技建設中占有十分(fēn)重要的(de)戰略地位。

　　1.2.2壓電薄膜特性參數

　　壓電薄膜是一種柔性、質輕、高(gāo)韌度塑料膜并可(kě)制成多(duō)種厚度和(hé)較大(dà)面積，可(kě)以通(tōng)過特殊方式實現與微機電系統工藝的(de)結合，制造成爲微機電系統意義上的(de)微型傳感器[4]和(hé)執行器。壓電薄膜所具有的(de)正逆壓電效應使其既可(kě)以作爲傳感部件，也(yě)可(kě)以作爲執行部件；應用(yòng)頻(pín)率高(gāo)且便于調變；有良好的(de)線性關系；性能可(kě)靠穩定。PVDF壓電薄膜通(tōng)常很薄、柔軟、密度低、靈敏度且機械韌性好。表1.1以PVDF壓電薄膜爲例，列出了(le)壓電薄膜的(de)典型特征參數。

前國内研究壓電薄膜材料較多(duō)，PZT壓電薄膜、PVDF壓電薄膜、ZnO壓電薄膜、AlN壓電薄膜、KNN壓電薄膜等都是較爲常見的(de)壓電薄膜。本文将對(duì)壓電薄膜的(de)制備方法、應用(yòng)狀況以及研究中存在的(de)問題和(hé)發展趨勢作簡要綜述。

　　目前，壓電薄膜的(de)制備方法有很多(duō)，包括真空蒸發鍍膜、濺射鍍膜、化(huà)學氣相沉積鍍膜、分(fēn)子束外延鍍膜以及溶膠凝膠法鍍膜等。下(xià)面對(duì)幾種主要的(de)壓電薄膜制備方法進行一一介紹。

　　2.1.1 AlN壓電薄膜的(de)制備

　　AlN壓電薄膜多(duō)采用(yòng)磁控濺射法來(lái)制備。磁控濺射法是通(tōng)過電子輝光(guāng)放電來(lái)轟擊靶材，使靶材上原子脫落并運動到基片表面實現原子沉積，再經過熱(rè)處理(lǐ)結晶得(de)到所需薄膜。磁控濺射是爲了(le)在低氣壓下(xià)進行高(gāo)速濺射，必須有效地提高(gāo)氣體的(de)離化(huà)率。通(tōng)過在靶陰極表面引入磁場(chǎng)，利用(yòng)磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的(de)約束來(lái)提高(gāo)等離子體密度以增加濺射率。利用(yòng)外加磁場(chǎng)捕捉電子，延長(cháng)和(hé)束縛電子的(de)運動路徑，提高(gāo)離化(huà)率，增加鍍膜速率。這(zhè)種技術近年來(lái)發展比較成熟，具有設備便宜、材料利用(yòng)率高(gāo)、成膜快(kuài)且薄膜附著(zhe)力大(dà)等優點。下(xià)圖1爲反應磁控濺射結構示意圖：

D.Manova等[5]采用(yòng)直流磁控反應濺射鍍膜工藝，在低碳鋼、單晶KCl襯底上制備出了(le)表面平滑，均質無裂痕，180nm厚的(de)多(duō)晶AlN薄膜。武海順等[6]用(yòng)直流磁控反應濺射鍍膜工藝，于不同濺射氣壓、功率、靶基距條件下(xià)分(fēn)别在Si（111）基片上沉積制備出了(le)表面粗糙度小、組成均勻的(de)AlN薄膜。Rille E.等[7]采用(yòng)直流磁控反應濺射鍍膜工藝，控制氩氣與氮氣1:3和(hé)3:1的(de)體積比，制備了(le)六方體多(duō)晶AlN薄膜。随著(zhe)高(gāo)功率激光(guāng)脈沖技術的(de)發展，脈沖激光(guāng)沉積（PLD）憑借其優點和(hé)應用(yòng)潛力逐漸被人(rén)們認知并應用(yòng)于制備AlN薄膜。但由于PLD工藝難以制備大(dà)面積AlN薄膜，JiPo Huang等[8]發明(míng)了(le)一種簡單新穎的(de)氮化(huà)工藝制備AlN薄膜。首先，将高(gāo)純鋁于超高(gāo)真空電子束下(xià)蒸發至襯底上制備一定厚度的(de)Al膜層；然後把鋁膜層放于高(gāo)溫石英爐中，經流動高(gāo)純氮氣進行氮化(huà)，最後得(de)到AlN薄膜。近年來(lái)，稀土元素和(hé)過度金屬元素摻雜(zá)改性AlN薄膜是提高(gāo)AlN性能的(de)主要方式。張必壯[9]采用(yòng)反應磁控濺射工藝在高(gāo)聲速藍寶石襯底上制備出不同含量比例的(de)Er/Sc共摻AlN薄膜。通(tōng)過控制薄膜成分(fēn)，設計工藝參數，逐漸優化(huà)薄膜性質。Jiahao Zhao等[10]報道了(le)一種基于微納米制造技術的(de)高(gāo)品質柔性AlN壓電薄膜。通(tōng)過濺射法制備矽（100）上的(de)Mo/AlN/Al結構，然後進行深度反應，使用(yòng)離子蝕刻技術去除用(yòng)于支撐的(de)矽材料，獲得(de)Mo/AlN/Al柔性夾層膜。

　　2.1.2 PVDF壓電薄膜的(de)制備

　　PVDF壓電薄膜的(de)制備方法較多(duō)，有靜電紡絲法、溶液流延法、拉伸法[11.12]、真空蒸發法、勻膠法等。溶液流延法是目前常用(yòng)的(de)PVDF壓電薄膜制備方法，将PVDF溶于溶劑中超聲處理(lǐ)得(de)到PVDF溶液，将溶液滴在幹淨玻璃片或矽片上流延鋪平，再經過熱(rè)處理(lǐ)得(de)到PVDF薄膜。該方法在不同溫度下(xià)獲得(de)的(de)晶型不同，低溫獲得(de)β晶型，高(gāo)溫則以γ晶型爲主。溶液流延法所制得(de)的(de)薄膜厚度可(kě)以很小，透明(míng)度高(gāo)，厚度的(de)均勻性好且不易摻混雜(zá)質。

　　電子科技大(dà)學王偲宇等[13]，運用(yòng)溶液流延法制得(de)了(le)不同濃度和(hé)厚度的(de)PVDF薄膜，并發現在8wt%濃度時(shí)，PVDF薄膜中的(de)結晶區(qū)與非結晶區(qū)共存且晶型以非極性的(de)α晶型爲主。駱懿等[14]利用(yòng)高(gāo)壓靜電紡絲工藝制備PVDF/ZnO共聚物(wù)膜，通(tōng)過在傳統PVDF溶液中加入氧化(huà)鋅制得(de)PVDF共聚物(wù)膜，與PVDF膜相比，PVDF共聚物(wù)膜壓電性顯著提高(gāo)。江蘇大(dà)學祝園[15]采用(yòng)電輔助3D打印PVDF壓電薄膜，研究了(le)打印電壓對(duì)PVDF壓電薄膜由α相向β相轉變的(de)影(yǐng)響，同時(shí)探索了(le)不同溶劑體系和(hé)PVDF不同質量分(fēn)數對(duì)PVDF薄膜結晶度和(hé)β相含量的(de)影(yǐng)響。