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摘要
钙钛矿结构的压电陶瓷具有压电系数高、机电耦合性能良好、性能稳定可靠等优点,其应用环境广泛,是当前重要的商用传感器及半导体元件制造材料之一。其中薄膜结构的钙钛矿压电材料的尺寸小,有利于集成复杂电路结构,在精密电子元件的制造上具有不可替代的优势。然而,宏观上的尺寸降低、界面间的晶格失配以及成型过程中产生的气孔缺陷限制了畴壁的运动,致使薄膜材料表现出较低的铁电、压电、介电特性。近年来,研究者不断调整基体的种类并探索压电薄膜成型工艺的改进方法,试图优化压电薄膜因受结构特点限制而降低的电学性能。研究认为,（100）、（110）、（111）是能够有效促进薄膜电学特性提升的晶粒取向,同时柱状的晶粒形状和大的晶粒尺寸能够进一步保证薄膜获得良好的电学性能。晶粒形状和晶粒尺寸强烈依赖于薄膜的厚度,而薄膜厚度的增加有利于各项电学性能的提升。另外,晶粒尺寸与薄膜厚度类似,二者均存在一临界值,在该值以下,电学响应几乎消失。界面处的失配应变导致的失配位错限制了电畴的运动,低介电常数层降低了薄膜的静电存储能力,是导致薄膜的电特性下降的重要因素。薄膜中孔隙的钉扎效应提高了新畴形核长大的能量势垒,同时也将抑制压电薄膜中四方相向菱形相的转变,这使得孔隙在降低压电薄膜压电系数(d33)的同时,也有可能增强薄膜的热稳定性。此外,近年来的研究发现,薄膜的机械耦合性能与孔隙率存在正相关关系。文中针对压电陶瓷薄膜结构及结构特征产生的应力对其性能的影响进行论述,阐述了薄膜晶体结构、几何结构及缺陷分别对材料电学性能的影响,分析了薄膜内部微区结构对畴壁运动的作用机制。随着智能制造行业的快速发展,压电陶瓷薄膜势必向着尺寸更小、结构设计更复杂、使用范围更广泛、功能更全面、集成度更高的方向发展。
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单位中国石油集团安全环保技术研究院; 哈尔滨工程大学; 中国人民解放军陆军装甲兵学院
