Piezoelektrische Dünnschichtpolarisationstechnologie von Bailibo: Analyse der Prinzipien und Eigenschaften von vier Kernmethoden

Piezoelektrische Filme sind zentrale Funktionsmaterialien in den Bereichen flexible Elektronik, intelligente Sensorik, Energiegewinnung und anderen Bereichen. Die Aktivierung und Verbesserung ihrer piezoelektrischen Eigenschaften hängt stark von der Polarisationsbehandlung ab. Das Wesen der Polarisation besteht darin, dass durch den synergistischen Effekt von hoher Temperatur und elektrischem Hochspannungsfeld die chaotischen elektrischen Dipole oder elektrischen Domänen im Inneren des Films gezwungen werden, sich in eine bestimmte Richtung auszurichten, wodurch das Material einen makroskopischen piezoelektrischen Effekt zeigt. Derzeit hat Bailibo Testing vier ausgereifte Technologiesysteme für die Polarisationsanforderungen piezoelektrischer Filme entwickelt: Ölbad-Kontaktpolarisation, Luftkontaktpolarisation, positive Koronapolarisation und negative Koronapolarisation. Verschiedene Methoden weisen erhebliche Unterschiede in den Prinzipien, anwendbaren Szenarien und Polarisierungseffekten auf.

Ölbad-Kontaktpolarisation ist eine traditionelle und weit verbreitete Kontaktpolarisationsmethode. Bei dieser Technologie wird die Filmprobe vollständig in hochtemperaturbeständiges, isolierendes Silikonöl (z. B. Methylsilikonöl) eingetaucht, wobei die Ober- und Unterseite in direktem Kontakt mit Metallelektroden stehen. Die Polarisation wird durch die kombinierte Wirkung von Erwärmung und elektrischen Hochspannungsfeldern (normalerweise 100–300 MV/m) vervollständigt. Das isolierende Ölmedium kann Hochspannungsentladungen und Lichtbogendurchschläge wirksam verhindern, die Sicherheit des Polarisationsprozesses und die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes gewährleisten und gleichzeitig die Polarisationstemperatur von 100–140 °C (nahe der Curie-Temperatur von Polymerfilmen wie PVDF) stabil aufrechterhalten. Diese Methode ist vollständig polarisiert und hochstabil und eignet sich für dichte Materialien wie PVDF- und PZT-basierte Verbundfolien. Es kann eine hohe piezoelektrische Konstante (d33) erreicht werden. Es weist jedoch Einschränkungen auf, da die Probe anfällig für Verunreinigungen durch Silikonöl ist, die Nachbearbeitung und Reinigung umständlich ist und es nicht für poröse oder ölbeständige Filme geeignet ist.

Luftkontaktpolarisation ist eine verbesserte Kontakttechnologie des Ölbades Polarisation. Es eliminiert das Ölbadmedium und wendet direkt ein Kontakt-Hochspannungsfeld und eine Erwärmung auf den Film in der Luftumgebung an. Durch die Optimierung der Elektrodenstruktur (z. B. vergoldete Flachelektrode) und die Verwendung einer präzisen PID-Temperaturregelung wird das Risiko eines Luftdurchschlags verringert und eignet sich für flexible Folienmaterialien, die empfindlich auf Isolieröl reagieren und leicht verunreinigen. Diese Methode ist einfach durchzuführen, umweltfreundlich, weist eine hohe Probenverarbeitungseffizienz auf und die Polarisationstemperatur und die Parameter des elektrischen Feldes sind steuerbar. Es eignet sich für die Entwicklung und Kleinserienvorbereitung dünner und hochreiner piezoelektrischer Filme. Im Vergleich zur Ölbadumgebung ist die Toleranzgrenze für hohe Spannungen jedoch niedriger und die Spannungserhöhungsrate muss streng kontrolliert werden, um Probendefekte durch Teilentladung zu vermeiden. Es eignet sich besser für Dünnschichtmaterialien mit hoher Durchschlagsfestigkeit und dichter Struktur.

Die Koronapolarisation ist eine berührungslose Polarisationstechnologie, die in zwei Kategorien unterteilt ist: positive Korona und negative Korona. Das Kernprinzip besteht darin, mithilfe nadelförmiger oder linearer Hochspannungselektroden ein ungleichmäßiges starkes elektrisches Feld zu erzeugen, das die Luft zu einer Koronaentladung ionisiert, eine große Anzahl von Ionen erzeugt und die Filmoberfläche bombardiert, angetrieben durch das elektrische Feld, Ladungen injiziert und die gerichtete Anordnung interner Dipole stimuliert. Bei der positiven Koronapolarisation werden positive Ionen als Hauptträger verwendet, die Ionenenergie ist moderat, die Filmoberfläche wird kaum beschädigt und die Ladungsinjektionstiefe ist gering. Es eignet sich für die Oberflächenpolarisierung, die Herstellung von Elektretfilmen und flexible Polymerfilme wie PVDF und FEP. Die negative Koronapolarisation wird von Elektronen und negativen Ionen dominiert, mit tieferer Ladungsinjektion, gleichmäßigerer Verteilung und höherer Polarisationseffizienz. Es kann die piezoelektrischen Masseneigenschaften dünner Filme wirksam verbessern und eignet sich besonders für poröse piezoelektrische Filme, Nanofasermembranen und andere lose Strukturmaterialien.

Zusammenfassend haben die vier Polarisationsmethoden jeweils ihren eigenen technischen Schwerpunkt: Die Ölbad-Kontaktpolarisation eignet sich für dichte Filme mit hoher Stabilität und hohem Polarisationsgrad; Die Luftkontaktpolarisation ist schadstofffrei und hocheffizient für saubere Filme. positive und negative Koronapolarisation sind berührungslos und sehr anpassungsfähig, um flexible, poröse und großflächige Filmszenarien abzudecken. In praktischen Anwendungen ist es notwendig, das optimale Polarisationsschema basierend auf den Eigenschaften des Filmmaterials (wie Material, Dichte, Temperaturbeständigkeit), den Leistungsanforderungen (piezoelektrischer Koeffizient, Gleichmäßigkeit) und den Anforderungen der Szene auszuwählen oder mehrere Methoden zu kombinieren, um die Leistung zu maximieren und so den Grundstein für die Anwendung piezoelektrischer Filme in der intelligenten Sensorik, der tragbaren Elektronik, der Mikroenergiesammlung und anderen Bereichen zu legen.