壓電納米帶及其測(cè)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(jī)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(diǎn)。

　　《材料開發(fā)與應(yīng)用》本刊一直是“中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)與分析源期刊”、“中國(guó)金屬文摘數(shù)據(jù)庫(kù)重點(diǎn)收錄期刊”和“中文材料類核心期刊”，也是“美國(guó)化學(xué)文摘(CA)收錄期刊”。1991年獲首屆中國(guó)船舶工業(yè)總公司優(yōu)秀科技期刊獎(jiǎng)，1995年獲第二屆“中國(guó)船舶工業(yè)總公司優(yōu)秀科技期刊獎(jiǎng)”，2003年獲河南省優(yōu)秀科技期刊獎(jiǎng)。

　　1. 壓電納米材料簡(jiǎn)介

　　壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。因?yàn)槠浯嬖趬弘娦?yīng)，所以施加作用力在壓電材料上，壓電材料就會(huì)產(chǎn)生電位差，我們稱這種現(xiàn)象為正壓電效應(yīng);相對(duì)應(yīng)的，對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力，我們稱這種現(xiàn)象為逆壓電效應(yīng)[1]。由于壓電材料具有特的物理和化學(xué)性能，其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域，如制動(dòng)器、傳感器等[2]。隨著器件制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，器件越來越趨向于微型化，其尺寸已經(jīng)步入微納米級(jí)別。相對(duì)應(yīng)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(dú)特的力電耦合性能及尺寸小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子器件等領(lǐng)域。它們常常以薄膜或納米帶等形式生長(zhǎng)在基底材料的表面上，其尺寸在納米到微米量級(jí)。目前，無論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，壓電納米材料已成為一個(gè)熱點(diǎn)的研究課題。

　　2. 壓電納米帶及壓電薄膜材料的力學(xué)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(duì)它的應(yīng)用具有非常重要的意義[6]。其基本力學(xué)性能一般都包括彈性性能、斷裂韌性、殘余應(yīng)力及界面強(qiáng)度等。彈性性能作為壓電納米材料最基本的力學(xué)性能，對(duì)于壓電納米材料的應(yīng)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(gè)面內(nèi)是具有各向同性，而在垂直于這個(gè)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(gè)獨(dú)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(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的用斷裂韌性數(shù)值來表征，不同的極化方向，相對(duì)應(yīng)的斷裂韌性也會(huì)不同。

　　3. 壓電納米帶及壓電薄膜材料力學(xué)性能的測(cè)試方法

　　隨著現(xiàn)代物理測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，表征壓電納米材料力學(xué)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(cè)試方法，主要分為非接觸方式的測(cè)試方法和接觸方式的測(cè)試方法兩大類。非接觸方式在測(cè)試過程不會(huì)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(hào)的波速與波譜之間的關(guān)系，確定樣品的彈性力學(xué)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(xué)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(cè)試厚度較大的薄膜材料的力學(xué)性能。接觸方式的測(cè)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(cè)試材料力學(xué)性能的首選方法，測(cè)試結(jié)果簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)通用性強(qiáng)。但是對(duì)于低維材料，由于其幾何尺寸小的特點(diǎn)，使單軸拉伸的操作變得很困難，測(cè)得的數(shù)據(jù)也變得不可靠了。微/納米壓痕法作為一種測(cè)試壓電納米材料力學(xué)性能的有效方法，應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛了。在壓痕實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)壓痕曲線。然后根據(jù)壓痕實(shí)驗(yàn)曲線來反映或者量化壓電納米材料的力學(xué)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(xiàn)

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　　[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.