1880年，J.Curie和P.Curie兩兄弟首先發(fā)現(xiàn)了電氣石具有壓電效應(yīng)，1881年，他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電效應(yīng)。當(dāng)某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)"；反之，在極化方向上施加電場，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)"。換言之，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芗礊檎龎弘娦?yīng)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能為逆壓電效應(yīng)。

  采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)的基團(tuán)以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。而具有壓電效應(yīng)的薄膜稱為壓電薄膜。

  1.2.1壓電薄膜的發(fā)展背景及研究意義

  隨著人們對電子、導(dǎo)航和生物等高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求越來越高，壓電塊體材料尺寸大、應(yīng)用頻率較低的特點(diǎn)限制了它在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。為了順應(yīng)信息技術(shù)的集成化、智能化、微型化、化發(fā)展，壓電材料的薄膜化成為其發(fā)展的必然趨勢。壓電薄膜的發(fā)展歷史可以從20世紀(jì)60年代說起，1963年，美國的Foster發(fā)表了用CdS薄膜生產(chǎn)VHF及UHF頻帶的體超聲換能器[2]，隨后人們開始了壓電薄膜的探究歷史。80年代初，美軍因航空航天提出“智能"結(jié)構(gòu)[3]概念，壓電薄膜的研究是取得了長足進(jìn)步?，F(xiàn)如今，世界各國都在爭相研發(fā)壓電薄膜新技術(shù)，壓電薄膜在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防科技建設(shè)中占有十分重要的戰(zhàn)略地位。

  1.2.2壓電薄膜特性參數(shù)

  壓電薄膜是一種柔性、質(zhì)輕、高韌度塑料膜并可制成多種厚度和較大面積，可以通過特殊方式實(shí)現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)工藝的結(jié)合，制造成為微機(jī)電系統(tǒng)意義上的微型傳感器[4]和執(zhí)行器。壓電薄膜所具有的正逆壓電效應(yīng)使其既可以作為傳感部件，也可以作為執(zhí)行部件；應(yīng)用頻率高且便于調(diào)變；有良好的線性關(guān)系；性能可靠穩(wěn)定。PVDF壓電薄膜通常很薄、柔軟、密度低、靈敏度且機(jī)械韌性好。表1.1以PVDF壓電薄膜為例，列出了壓電薄膜的典型特征參數(shù)。

前國內(nèi)研究壓電薄膜材料較多，PZT壓電薄膜、PVDF壓電薄膜、ZnO壓電薄膜、AlN壓電薄膜、KNN壓電薄膜等都是較為常見的壓電薄膜。本文將對壓電薄膜的制備方法、應(yīng)用狀況以及研究中存在的問題和發(fā)展趨勢作簡要綜述。

  目前，壓電薄膜的制備方法有很多，包括真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、化學(xué)氣相沉積鍍膜、分子束外延鍍膜以及溶膠凝膠法鍍膜等。下面對幾種主要的壓電薄膜制備方法進(jìn)行一一介紹。

  2.1.1 AlN壓電薄膜的制備

  AlN壓電薄膜多采用磁控濺射法來制備。磁控濺射法是通過電子輝光放電來轟擊靶材，使靶材上原子脫落并運(yùn)動(dòng)到基片表面實(shí)現(xiàn)原子沉積，再經(jīng)過熱處理結(jié)晶得到所需薄膜。磁控濺射是為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。利用外加磁場捕捉電子，延長和束縛電子的運(yùn)動(dòng)路徑，提高離化率，增加鍍膜速率。這種技術(shù)近年來發(fā)展比較成熟，具有設(shè)備便宜、材料利用率高、成膜快且薄膜附著力大等優(yōu)點(diǎn)。下圖1為反應(yīng)磁控濺射結(jié)構(gòu)示意圖：

D.Manova等[5]采用直流磁控反應(yīng)濺射鍍膜工藝，在低碳鋼、單晶KCl襯底上制備出了表面平滑，均質(zhì)無裂痕，180nm厚的多晶AlN薄膜。武海順等[6]用直流磁控反應(yīng)濺射鍍膜工藝，于不同濺射氣壓、功率、靶基距條件下分別在Si（111）基片上沉積制備出了表面粗糙度小、組成均勻的AlN薄膜。Rille E.等[7]采用直流磁控反應(yīng)濺射鍍膜工藝，控制氬氣與氮?dú)?:3和3:1的體積比，制備了六方體多晶AlN薄膜。隨著高功率激光脈沖技術(shù)的發(fā)展，脈沖激光沉積（PLD）憑借其優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用潛力逐漸被人們認(rèn)知并應(yīng)用于制備AlN薄膜。但由于PLD工藝難以制備大面積AlN薄膜，JiPo Huang等[8]發(fā)明了一種簡單新穎的氮化工藝制備AlN薄膜。首先，將高純鋁于超高真空電子束下蒸發(fā)至襯底上制備一定厚度的Al膜層；然后把鋁膜層放于高溫石英爐中，經(jīng)流動(dòng)高純氮?dú)膺M(jìn)行氮化，后得到AlN薄膜。近年來，稀土元素和過度金屬元素?fù)诫s改性AlN薄膜是提高AlN性能的主要方式。張必壯[9]采用反應(yīng)磁控濺射工藝在高聲速藍(lán)寶石襯底上制備出不同含量比例的Er/Sc共摻AlN薄膜。通過控制薄膜成分，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，逐漸優(yōu)化薄膜性質(zhì)。Jiahao Zhao等[10]報(bào)道了一種基于微納米制造技術(shù)的高品質(zhì)柔性AlN壓電薄膜。通過濺射法制備硅（100）上的Mo/AlN/Al結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行深度反應(yīng)，使用離子蝕刻技術(shù)去除用于支撐的硅材料，獲得Mo/AlN/Al柔性夾層膜。

  2.1.2 PVDF壓電薄膜的制備

  PVDF壓電薄膜的制備方法較多，有靜電紡絲法、溶液流延法、拉伸法[11.12]、真空蒸發(fā)法、勻膠法等。溶液流延法是目前常用的PVDF壓電薄膜制備方法，將PVDF溶于溶劑中超聲處理得到PVDF溶液，將溶液滴在干凈玻璃片或硅片上流延鋪平，再經(jīng)過熱處理得到PVDF薄膜。該方法在不同溫度下獲得的晶型不同，低溫獲得β晶型，高溫則以γ晶型為主。溶液流延法所制得的薄膜厚度可以很小，透明度高，厚度的均勻性好且不易摻混雜質(zhì)。

  電子科技大學(xué)王偲宇等[13]，運(yùn)用溶液流延法制得了不同濃度和厚度的PVDF薄膜，并發(fā)現(xiàn)在8wt%濃度時(shí)，PVDF薄膜中的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)共存且晶型以非極性的α晶型為主。駱懿等[14]利用高壓靜電紡絲工藝制備PVDF/ZnO共聚物膜，通過在傳統(tǒng)PVDF溶液中加入氧化鋅制得PVDF共聚物膜，與PVDF膜相比，PVDF共聚物膜壓電性顯著提高。江蘇大學(xué)祝園[15]采用電輔助3D打印PVDF壓電薄膜，研究了打印電壓對PVDF壓電薄膜由α相向β相轉(zhuǎn)變的影響，同時(shí)探索了不同溶劑體系和PVDF不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PVDF薄膜結(jié)晶度和β相含量的影響。