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，及其優缺點。

　　《材料開發與應用》本刊一直是“中國科技論文統計與分析源期刊”、“中國金屬文摘數據庫重點收錄期刊”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總公司優秀科技期刊獎，1995年獲第二屆“中國船舶工業總公司優秀科技期刊獎”，2003年獲河南省優秀科技期刊獎。

　　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，壓電材料就會產生電位差，我們稱這種現象為正壓電效應;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]。隨著器件制備技術的發展和進步，器件越來越趨向于微型化，其尺寸已經步入微納米級別。相對應的，越來越多的材料也向小尺寸發展。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構性元器件，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可以由五個獨立的彈性順度系數來表征：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

　　隨著現代物理測試技術的發展，表征壓電納米材料力學性能的方法已經有了一定程度的發展，出現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法。前兩者都是用激光照射樣品表面，激發聲波，然后根據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。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。至于聲顯微術法，它是用通過液體介質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，測試結果簡單，數據通用性強。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，測得的數據也變得不可靠了。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，應用已經十分廣泛了。在壓痕實驗過程中，通過連續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合的方法，確定了壓電納米帶和壓電薄膜的彈性常數。

　　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. 壓電傳感測試技術的應用研究進展[J]. 傳感器與微系統, 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.