Технология поляризации пьезоэлектрических тонких пленок Байлибо: анализ принципов и характеристик четырех основных методов

Пьезоэлектрические пленки являются основными функциональными материалами в области гибкой электроники, интеллектуального зондирования, сбора энергии и других областях. Активация и улучшение их пьезоэлектрических свойств сильно зависят от поляризационной обработки. Суть поляризации заключается в том, что под синергическим действием высокой температуры и электрического поля высокого напряжения хаотические электрические диполи или электрические домены внутри пленки вынуждены выравниваться в определенном направлении, тем самым вызывая в материале макроскопический пьезоэлектрический эффект. В настоящее время компания Bailibo Testing сформировала четыре зрелые технологические системы для нужд поляризации пьезоэлектрических пленок: контактная поляризация в масляной ванне, поляризация при контакте с воздухом, поляризация положительного короны и поляризация отрицательного короны. Различные методы имеют существенные различия в принципах, применимых сценариях и эффектах поляризации.

Контактная поляризация в масляной ванне — традиционный и широко используемый метод контактной поляризации. Эта технология полностью погружает образец пленки в термостойкое изолирующее силиконовое масло (например, метилсиликоновое масло), при этом верхняя и нижняя поверхности находятся в непосредственном контакте с металлическими электродами, а поляризация завершается под совместным действием нагрева и электрического поля высокого напряжения (обычно 100-300 МВ/м). Изолирующая масляная среда позволяет эффективно предотвращать высоковольтный разряд и дуговой пробой, обеспечивать безопасность процесса поляризации и однородность электрического поля, стабильно поддерживая температуру поляризации 100-140°С (близкую к температуре Кюри полимерных пленок, таких как ПВДФ). Этот метод полностью поляризован и очень стабилен и подходит для плотных материалов, таких как композитные пленки на основе ПВДФ и ЦТС. Он может достичь высокой пьезоэлектрической постоянной (d33). Однако он имеет ограничения: образец чувствителен к загрязнению силиконовым маслом, последующая обработка и очистка являются громоздкими, и он не подходит для пористых или маслостойких пленок.

Поляризация при контакте с воздухом — это улучшенная контактная технология поляризация в масляной ванне. Он исключает среду масляной ванны и непосредственно применяет контактное высоковольтное электрическое поле и нагрев к пленке в воздушной среде. За счет оптимизации конструкции электрода (например, позолоченного плоского электрода) и использования точного ПИД-регулирования температуры риск пробоя воздуха снижается, и он подходит для гибких пленочных материалов, чувствительных к изолирующему маслу и легко загрязняющихся. Этот метод прост в эксплуатации, не загрязняет окружающую среду, имеет высокую эффективность обработки проб, а температуру поляризации и параметры электрического поля можно контролировать. Он подходит для разработки и мелкосерийной подготовки тонких пьезоэлектрических пленок высокой чистоты. Однако по сравнению с масляной ванной предел допуска высокого напряжения ниже, и скорость повышения напряжения необходимо строго контролировать, чтобы избежать дефектов образца, вызванных частичным разрядом. Он больше подходит для тонкопленочных материалов с высокой прочностью на разрыв и плотной структурой.

Коронная поляризация — это технология бесконтактной поляризации, разделенная на две категории: положительная корона и отрицательная корона. Основной принцип заключается в использовании игольчатых или линейных высоковольтных электродов для создания неоднородного сильного электрического поля, которое ионизирует воздух с образованием коронного разряда, генерирует большое количество ионов и бомбардирует поверхность пленки под действием электрического поля, инжектирует заряды и стимулирует направленное расположение внутренних диполей. Положительная коронная поляризация использует положительные ионы в качестве основных носителей, имеет умеренную энергию ионов, небольшое повреждение поверхности пленки и небольшую глубину инжекции заряда. Он подходит для поверхностной поляризации, подготовки электретных пленок и гибких полимерных пленок, таких как ПВДФ и ФЭП. В поляризации отрицательной короны преобладают электроны и отрицательные ионы, с более глубокой инжекцией заряда, более равномерным распределением и более высокой эффективностью поляризации. Он может эффективно улучшить объемные пьезоэлектрические свойства тонких пленок и особенно подходит для пористых пьезоэлектрических пленок, мембран из нановолокон и других рыхлых конструкционных материалов.

Подводя итог, каждый из четырех методов поляризации имеет свою техническую направленность: контактная поляризация в масляной ванне подходит для плотных пленок с высокой стабильностью и высокой степенью поляризации; Воздушно-контактная поляризация не загрязняет окружающую среду и обеспечивает высокую эффективность для чистых пленок; положительная и отрицательная поляризация короны являются бесконтактными и легко адаптируются для покрытия гибких, пористых пленок и пленок большой площади. В практических приложениях необходимо выбрать оптимальную схему поляризации на основе характеристик материала пленки (таких как материал, плотность, термостойкость), требований к производительности (пьезоэлектрический коэффициент, однородность) и требований сцены или объединить несколько методов для максимизации производительности, закладывая основу для применения пьезоэлектрических пленок в интеллектуальных датчиках, носимой электронике, сборе микроэнергии и других областях.