Badanie właściwości piezoelektrycznych cienkich warstw zn-bi-o

Abstract

Prezentowana praca dotyczy piezoelektrycznych warstw Zn-Bi-O otrzymywanych metodą rozpylania magnetronowego metalicznych targetów Zn-Bi w magnetronie kołowym MK100. Przedstawiono wyniki pomiarów współczynnika d33 warstw otrzymanych dla różnych parametrów rozpylania magnetronowego takich jak ciśnienie gazów roboczych, moc wydzielona na targecie. Na właściwości napylanych warstw duży wpływ ma skład gazów roboczych oraz czas nanoszenia warstw. Badania potwierdziły, że warstwy Zn-O wykazują właściwości piezoelektryczne. Zauważono, że dodatkowy składnik warstw Zn-O w postaci bizmutu powoduje nieznaczną poprawę tych właściwości.
Autorzy: Marek KRAWCZYK, Waldemar JAKUBOWSKI

1. WPROWADZENIE

Badania nad zjawiskiem piezoelektrycznym oraz materiałami wykazującymi właściwości piezoelektryczne rozpoczęły się w roku 1880 przez braci Piotra i Jakuba Curie [1]. Wykazali oni, że ciało stałe poddane zewnętrznym naprężeniom mechanicznym indukuje na swej powierzchni ładunek elektryczny. Po 1917 roku rozpoczęto praktyczne wykorzystywanie materiałów piezoelektrycznych. Kwarcowe kryształy po raz pierwszy zostały użyte w łodziach podwodnych jako oscylatory w przetwornikach wykorzystywanych do emisji i detekcji fal akustycznych podczas I wojny światowej. Wiele badań wykonywano nad związkami pochodzenia biologicznego. BT (tytanian boru) odkryty w latach 40 dwudziestego wieku używany był w przetwornikach, urządzeniach transmisyjnych i dielektrycznych komponentach takich jak kondensator. Po 1954 r. został zastąpiony przez PZT (ceramika ołowiowo-cyrkonowo-tytanowa) [2].

Kolejnym etapem w rozwoju wykorzystania efektu piezoelektrycznego było odkrycie tego zjawiska w polimerach. Obecnie znanych jest wiele różnych materiałów piezoelektrycznych, do których zaliczamy ceramiki, polimery a także kompozyty ceramiczno-polimerowe [3]. Materiały ceramiczne odznaczają się wartościami współczynników piezoelektry-cznych rzędu kilkudziesięciu pC/N. Wadą ceramik jest trudność wykonania czujników o wymaganym kształcie ze względu na swoje właściwości mechaniczne (kruchość, twardość). Wad tych pozbawione są piezopolimery odznaczające się dobrymi właściwościami mechanicznymi, łatwością obróbki, odpornością chemiczną i niską impedancją akustyczną. Ze względu na swoje właściwości znalazły one szerokie zastosowanie w mikroelektronice.

W ciągu ostatnich 10 lat nastąpił gwałtowny rozwój badań nad piezoelektry-cznością. Wiele materiałów oraz zjawisk w nich zachodzących pozostaje w dalszym ciągu niezbadane. Możliwości zastosowania piezoelektryków zależą nie tylko od rodzaju materiału czy sposobu otrzymywania go, ale również od obróbki i ewentualnego poddania go różnym zjawiskom fizycznym na drodze eksperymentów.

Materiały piezoelektryczne znalazły zastosowanie m.in. w produkcji przetworników i sensorów. Wykorzystuje się je do budowy hydrofonów. W medycynie znalazły zastosowanie w ultradźwiękowych przetwornikach do otrzymywania obrazów (ultrasonografia). Stosowane są jako czujniki mechaniczne (do badania tętna) a także jako detektory dźwięku (mikrofony) oraz źródła dźwięku (głośniki w małych urządzeniach elektronicznych).