Piezoelektri strækker deres potentiale med en metode til fleksibel klæbning

Piezoelektriske materialer bruges til applikationer, der spænder fra gnisttænderen i grillgrill til de transducere, der er nødvendige for medicinsk ultralyd. Tyndfilm piezoelektrisk, med dimensioner på omfanget af mikrometer eller mindre tilbyde potentiale til nye applikationer, hvor der kræves mindre dimensioner eller en lavere spændingsdrift.

Forskere ved Pennsylvania State University har demonstreret en ny teknik til fremstilling af piezoelektriske mikroelektromekaniske systemer (MEMS) ved at forbinde en prøve af blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektriske tynde film til fleksible polymersubstrater. Doktorgradskandidat Tianning Liu og hendes medforfattere rapporterer deres resultater i denne uge i Journal of Applied Physics .

"Der er en rig historie med arbejde med piezoelektriske tynde film, men film på stive substrater har begrænsninger, der kommer fra substratet, "sagde Thomas N. Jackson, en professor ved Penn State og en af ​​papirets forfattere. "Dette arbejde åbner nye områder for tyndfilms piezoelektriske stoffer, der reducerer afhængigheden af ​​substratet."

Forskerne dyrkede polykrystallinske PZT tynde film på et siliciumsubstrat med et zinkoxidfrigivelseslag, hvortil de tilføjede et tyndt lag polyimid. De brugte derefter eddikesyre til at æde zinkoxidet væk, frigivelse af den 1 mikrometer tykke PZT-film med polyimidlaget fra siliciumsubstratet. PZT -filmen på polyimid er fleksibel, samtidig med at den har forbedrede materialegenskaber i forhold til filmene dyrket på stive underlag.

Piezoelektriske enheder er afhængige af nogle stoffers evne som PZT til at generere elektriske ladninger, når de fysisk deformeres, eller omvendt at deformere, når et elektrisk felt påføres dem. Dyrkning af PZT-film af høj kvalitet, imidlertid, kræver typisk temperaturer på over 650 grader Celsius, næsten 300 grader varmere end hvad polyimid er i stand til at modstå uden at forringe.

De fleste nuværende piezoelektriske enhedsapplikationer bruger bulkmaterialer, hvilket hæmmer miniaturisering, udelukker betydelig fleksibilitet, og nødvendiggør højspændingsdrift.

"For eksempel, hvis du ser på at sætte en ultralydstransducer i et kateter, en PZT -film på et polymersubstrat ville give dig mulighed for at vikle transduceren rundt om kateterets omkreds, "Sagde Liu." Dette kan muliggøre betydelig miniaturisering, og bør give mere information til klinikeren. "

Udførelsen af ​​mange piezoelektriske tynde film har været begrænset af substratspænding, et fænomen, hvor det stive substrat begrænser bevægelsen af ​​det piezoelektriske materiales domænevægge og forringer dets egenskaber. Noget arbejde er blevet udført med at krystallisere PZT ved temperaturer, der er kompatible med polymere materialer, for eksempel ved hjælp af laserkrystallisering, men resultater hidtil har ført til porøse tynde film og ringere materialegenskaber.

De frigivne tynde film på polyimid, som forskerne udviklede, havde en stigning på 45 procent i remanent polarisering i forhold til siliciumsubstratkontroller, hvilket indikerer en væsentlig afbødning i substratspænding og forbedret ydeevne. Selv da, Liu sagde, meget arbejde er tilbage, før tyndfilm MEMS-enheder kan konkurrere med bulk piezoelektriske systemer.

"Der er stadig et stort hul mellem at lægge PZT på tynd film og bulk, " sagde hun. "Den er ikke så stor som mellem bulk og substrat, men der er også ting som flere fejl, der bidrager til den lavere respons af tyndfilmsmaterialerne. "