压电纳米带及其测试方法

　　压电纳米材料是一种新型的晶体材料，本文首先介绍了压电纳米材料的主要性能及其微观机理，随后讨论了几种主要的制备和表征的方法，及其优缺点。

　　《材料开发与应用》本刊一直是“中国科技论文统计与分析源期刊”、“中国金属文摘数据库重点收录期刊”和“中文材料类核心期刊”，也是“美国化学文摘(CA)收录期刊”。1991年获首届中国船舶工业总公司优秀科技期刊奖，1995年获第二届“中国船舶工业总公司优秀科技期刊奖”，2003年获河南省优秀科技期刊奖。

　　1. 压电纳米材料简介

　　压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。因为其存在压电效应，所以施加作用力在压电材料上，压电材料就会产生电位差，我们称这种现象为正压电效应;相对应的，对压电材料施加电场的时候，会引起机械应力，我们称这种现象为逆压电效应[1]。由于压电材料具有特的物理和化学性能，其已经广泛应用于我们生活和工作的各个领域，如制动器、传感器等[2]。随着器件制备技术的发展和进步，器件越来越趋向于微型化，其尺寸已经步入微纳米级别。相对应的，越来越多的材料也向小尺寸发展。压电纳米材料，如压电纳米带和压电薄膜等纳米尺寸材料，由于具有独特的力电耦合性能及尺寸小的特点，广泛应用于微电子器件等领域。它们常常以薄膜或纳米带等形式生长在基底材料的表面上，其尺寸在纳米到微米量级。目前，无论是在国内还是国外，压电纳米材料已成为一个热点的研究课题。

　　2. 压电纳米带及压电薄膜材料的力学性能

　　压电纳米材料，如压电薄膜、压电纳米带，不管是用于功能性元器件或者结构性元器件，其力电性能对它的应用具有非常重要的意义[6]。其基本力学性能一般都包括弹性性能、断裂韧性、残余应力及界面强度等。弹性性能作为压电纳米材料最基本的力学性能，对于压电纳米材料的应用有着重要的作用，其一般可以用弹性常数来表征。我们一般把压电薄膜和压电纳米带材料看成横观各向同性材料，其弹性性能在一个面内是具有各向同性，而在垂直于这个各向同性面的方向是异性的。因此，压电薄膜和压电纳米的弹性常数可以由五个独立的弹性顺度系数来表征：横向和纵向杨氏模量、纵向剪切模量、横向和纵向泊松比。压电纳米材料不同于一般的陶瓷材料，其断裂韧性很复杂，不能简单的用断裂韧性数值来表征，不同的极化方向，相对应的断裂韧性也会不同。

　　3. 压电纳米带及压电薄膜材料力学性能的测试方法

　　随着现代物理测试技术的发展，表征压电纳米材料力学性能的方法已经有了一定程度的发展，出现了一系列的测试方法，主要分为非接触方式的测试方法和接触方式的测试方法两大类。非接触方式在测试过程不会破坏样品，它主要包括布里渊散射法、表面声波法以及声显微术法。前两者都是用激光照射样品表面，激发声波，然后根据表面声波中分支信号的波速与波谱之间的关系，确定样品的弹性力学参数。它们的不同之处在于布里渊散射法用的是小功率激光器，而表面声波法用的是大功率激光器。至于声显微术法，它是用通过液体介质的声波照射样品表面，从确定样品的力学性能。这种方法所用的声波频率比前两种所用的声波频率都要低，因此适合测试厚度较大的薄膜材料的力学性能。接触方式的测试方法主要包括单轴拉伸法和微/纳米压痕法。一般来讲，单轴拉伸是测试材料力学性能的首选方法，测试结果简单，数据通用性强。但是对于低维材料，由于其几何尺寸小的特点，使单轴拉伸的操作变得很困难，测得的数据也变得不可靠了。微/纳米压痕法作为一种测试压电纳米材料力学性能的有效方法，应用已经十分广泛了。在压痕实验过程中，通过连续记录加载力和压痕深度，得到压电纳米材料的实验压痕曲线。然后根据压痕实验曲线来反映或者量化压电纳米材料的力学性能。本文通过纳米压痕与有限元相结合的方法，确定了压电纳米带和压电薄膜的弹性常数。

　　参考文献

　　[1] 方岱宁, 刘金喜. 压电与铁电体的断裂力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

　　[2] 王灵婕，林吉申. 功能材料在MEMS 中的应用及进展[J]. 功能材料, 2004, 35: 939-942.

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

　　[4] 宋颖, 王志臣, 杜彦良. 压电传感测试技术的应用研究进展[J]. 传感器与微系统, 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.