壓電納米帶及其測試方法

　　壓電納米材料是一種新型的晶體材料，本文首先介紹了壓電納米材料的主要性能及其微觀機理，隨后討論了幾種主要的制備和表征的方法，及其優(yōu)缺點。

　　《材料開發(fā)與應用》本刊一直是“中國科技論文統(tǒng)計與分析源期刊”、“中國金屬文摘數(shù)據(jù)庫重點收錄期刊”和“中文材料類核心期刊”，也是“美國化學文摘(CA)收錄期刊”。1991年獲首屆中國船舶工業(yè)總公司優(yōu)秀科技期刊獎，1995年獲第二屆“中國船舶工業(yè)總公司優(yōu)秀科技期刊獎”，2003年獲河南省優(yōu)秀科技期刊獎。

　　1. 壓電納米材料簡介

　　壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。因為其存在壓電效應，所以施加作用力在壓電材料上，壓電材料就會產(chǎn)生電位差，我們稱這種現(xiàn)象為正壓電效應;相對應的，對壓電材料施加電場的時候，會引起機械應力，我們稱這種現(xiàn)象為逆壓電效應[1]。由于壓電材料具有特的物理和化學性能，其已經(jīng)廣泛應用于我們生活和工作的各個領域，如制動器、傳感器等[2]。隨著器件制備技術(shù)的發(fā)展和進步，器件越來越趨向于微型化，其尺寸已經(jīng)步入微納米級別。相對應的，越來越多的材料也向小尺寸發(fā)展。壓電納米材料，如壓電納米帶和壓電薄膜等納米尺寸材料，由于具有獨特的力電耦合性能及尺寸小的特點，廣泛應用于微電子器件等領域。它們常常以薄膜或納米帶等形式生長在基底材料的表面上，其尺寸在納米到微米量級。目前，無論是在國內(nèi)還是國外，壓電納米材料已成為一個熱點的研究課題。

　　2. 壓電納米帶及壓電薄膜材料的力學性能

　　壓電納米材料，如壓電薄膜、壓電納米帶，不管是用于功能性元器件或者結(jié)構(gòu)性元器件，其力電性能對它的應用具有非常重要的意義[6]。其基本力學性能一般都包括彈性性能、斷裂韌性、殘余應力及界面強度等。彈性性能作為壓電納米材料最基本的力學性能，對于壓電納米材料的應用有著重要的作用，其一般可以用彈性常數(shù)來表征。我們一般把壓電薄膜和壓電納米帶材料看成橫觀各向同性材料，其彈性性能在一個面內(nèi)是具有各向同性，而在垂直于這個各向同性面的方向是異性的。因此，壓電薄膜和壓電納米的彈性常數(shù)可以由五個獨立的彈性順度系數(shù)來表征：橫向和縱向楊氏模量、縱向剪切模量、橫向和縱向泊松比。壓電納米材料不同于一般的陶瓷材料，其斷裂韌性很復雜，不能簡單的用斷裂韌性數(shù)值來表征，不同的極化方向，相對應的斷裂韌性也會不同。

　　3. 壓電納米帶及壓電薄膜材料力學性能的測試方法

　　隨著現(xiàn)代物理測試技術(shù)的發(fā)展，表征壓電納米材料力學性能的方法已經(jīng)有了一定程度的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的測試方法，主要分為非接觸方式的測試方法和接觸方式的測試方法兩大類。非接觸方式在測試過程不會破壞樣品，它主要包括布里淵散射法、表面聲波法以及聲顯微術(shù)法。前兩者都是用激光照射樣品表面，激發(fā)聲波，然后根據(jù)表面聲波中分支信號的波速與波譜之間的關系，確定樣品的彈性力學參數(shù)。它們的不同之處在于布里淵散射法用的是小功率激光器，而表面聲波法用的是大功率激光器。至于聲顯微術(shù)法，它是用通過液體介質(zhì)的聲波照射樣品表面，從確定樣品的力學性能。這種方法所用的聲波頻率比前兩種所用的聲波頻率都要低，因此適合測試厚度較大的薄膜材料的力學性能。接觸方式的測試方法主要包括單軸拉伸法和微/納米壓痕法。一般來講，單軸拉伸是測試材料力學性能的首選方法，測試結(jié)果簡單，數(shù)據(jù)通用性強。但是對于低維材料，由于其幾何尺寸小的特點，使單軸拉伸的操作變得很困難，測得的數(shù)據(jù)也變得不可靠了。微/納米壓痕法作為一種測試壓電納米材料力學性能的有效方法，應用已經(jīng)十分廣泛了。在壓痕實驗過程中，通過連續(xù)記錄加載力和壓痕深度，得到壓電納米材料的實驗壓痕曲線。然后根據(jù)壓痕實驗曲線來反映或者量化壓電納米材料的力學性能。本文通過納米壓痕與有限元相結(jié)合的方法，確定了壓電納米帶和壓電薄膜的彈性常數(shù)。

　　參考文獻

　　[1] 方岱寧, 劉金喜. 壓電與鐵電體的斷裂力學[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

　　[2] 王靈婕，林吉申. 功能材料在MEMS 中的應用及進展[J]. 功能材料, 2004, 35: 939-942.

　　[3] K. Uchino. Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors [M]. London: Kluwer Academic Publishers, 1997.

　　[4] 宋穎, 王志臣, 杜彥良. 壓電傳感測試技術(shù)的應用研究進展[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2008, 5: 8-11.

　　[5] W. P. Mason. Piezoelectric Crystals and Their Application to Ultrasonics [M]. New York: Van Nostrand Reinhold, 1950.

　　[6] A. Moulson, J. Herbert. Electroceramics: Materials, Properties, Applications [M]. John Wiley & Sons Inc, 2003.