“电子淋浴”技术为下一代电子产品解锁了先进的压电薄膜

我们的日常生活充斥着电子产品，以至于我们几乎不再注意到它们。当我们随意拿起智能手机时，我们很少考虑这个设备有多复杂。数百个微小的组件在其中协同工作，每个组件都是高精度的工程杰作。

这些很少被注意到的组件包括射频（RF）滤波器。它们确保设备只接收正确的信号，无论是通过Wi-Fi还是移动网络。每个无线通信的设备都包含这样的过滤器。它们通常基于压电薄膜。压电材料有一个特殊的特征：当它们变形时会产生电荷，当施加电压时会改变形状。

除了RF滤波器外，压电薄膜还用于微电子中的许多其他组件，无论是传感器、致动器还是微型能量转换器。其他应用，如量子技术，是正在进行的研究的主题。

然而，有一点是明确的：为了使这种薄膜发挥作用，它们需要具有非常高的质量。根据薄膜的成分和功能，这需要不同的制造工艺。

来自表面科学与涂层技术实验室的Empa研究人员开发了一种新的压电薄膜沉积工艺。新颖之处：他们的方法允许在绝缘基板上以非常高的质量和相对较低的温度生产高科技层，这是该领域的第一次。

研究人员在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果，并为该过程申请了专利。

研究人员使用了一种名为HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射的缩写）的常见技术作为他们的起点。磁控溅射是一种涂层工艺，其中材料从固体前体材料（靶材）沉积到待涂覆的组件（基材）上。为了实现这一点，在目标处点燃工艺气体等离子体。

然后将工艺气体离子（通常是氩）射向靶材，敲除随后落在基材上的原子，形成所需的薄膜。许多材料都可以用作靶。对于压电应用，通常使用金属，通常添加氮以产生氮化物，如氮化铝。

HiPIMS的工作方式几乎相同，只是该过程不是连续发生的，而是以短而高能的脉冲进行的。这不仅意味着被喷射的目标原子行进得更快，其中许多原子在穿过等离子体的过程中也被电离。这使得研究过程变得有趣。

与中性原子相反，离子可以被加速，例如，通过向基底施加负电压。在过去的20年左右的时间里，这种方法已被用于生产硬质涂层，其高能量可产生特别致密和耐用的涂层。

然而，到目前为止，这种工艺对于压电薄膜来说是不可行的。这是因为向基材施加电压不仅会加速成膜目标离子，还会加速工艺气体中的氩离子。必须避免这种氩轰击。

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Empa研究员Sebastian Siol说：“硬涂层中有时会掺入百分之几的氩气。”。“压电薄膜通常在高压下工作。在这里，这些杂质可能会导致灾难性的电击穿。”

尽管如此，Siol的团队相信HiPIMS在压电薄膜方面的潜力。离子飞向基板的高能量是非常有利的。如果离子以足够的能量撞击基板，它会在短时间内保持移动，并可以在生长的晶格中找到最佳位置。但是，对于不需要的氩气夹杂物，我们能做些什么呢？

在他的博士论文中，Jyotish Patidar提出了一个巧妙的解决方案。并非所有离子都同时到达目标。大多数氩离子位于靶前方的等离子体中。这意味着它们通常在靶离子之前到达基底，靶离子首先必须从靶中被敲出，然后必须穿过整个距离到达基底。

Patidar的创新恰逢其时。Siol解释说：“如果我们在正确的时刻向基板施加电压，我们只会加速所需的离子。”。

此时氩离子已经飞过，如果没有额外的加速，它们的能量太少，无法被吸收到生长的薄膜中。

使用这种技巧，研究人员首次能够使用HiPIMS生产出高质量的压电薄膜，其性能与传统方法相当，甚至更好。

接下来的挑战是：根据具体应用，薄膜需要在玻璃或蓝宝石等绝缘基板上生产。然而，如果基材不导电，则无法对其施加电压。尽管工业上无论如何都有一种加速离子的方法，但这也经常导致层中的氩夹杂物。

这就是Empa研究人员取得突破的地方。为了将离子加速到绝缘基板上，他们使用磁控管脉冲本身——将工艺气体离子射到靶上的短脉冲。

腔室中的等离子体不仅包含离子，还包含电子。磁控管的每个脉冲都会自动将这些带负电荷的元素粒子加速到基板上。微小的电子比大得多的离子更快地到达目标。

通常，这种“电子簇射”与HiPIMS过程无关。然而，当电子到达基板时，在几分之一秒内，它们会给基板带负电荷，足以加速离子。

如果研究人员以正确的时间间隔触发后续的磁控管脉冲，电子簇射会加速在前一个脉冲中开始飞行的目标离子。当然，时间也可以调整，这样只有正确的离子才能进入薄膜。

结果令人印象深刻：“通过我们的方法，我们能够在绝缘基板和导电基板上生产压电薄膜，”Siol总结道。

研究人员将该过程称为同步浮动电位HiPIMS，简称SFP-HiPIMS。最大的优势：使用SFP‑HiPIMS，可以在低温下以非常高的质量生产压电薄膜。这为生产通常无法承受高温的芯片和电子元件开辟了新的可能性。

绝缘基板技术对半导体行业尤为重要：Siol说：“半导体行业的许多生产工具的设计方式甚至不可能向基板施加电压。”。

下一步，他的目标是与团队一起开发铁电薄膜，这是当前和未来电子领域的另一项关键技术。

基于这一成功，Empa的研究人员还与其他研究机构开展了几项合作，将他们的薄膜应用于从光子学到量子技术的各个领域。最后，他们希望在机器学习和高通量实验的帮助下进一步优化创新过程。p