Tynde film af en blyfri piezoelektrik matcher endelig ydeevnen af ​​den blybærende standard

Et fremskridt inden for fremstillingsteknologi har i høj grad forbedret materialekvaliteten og ydeevnen af ​​tynde film af et blyfrit 'piezoelektrisk' materiale. Denne udvikling af A*STAR-forskere lover at låse op for et blyfrit alternativ til bly-zircon-titanate (PZT) standarden.

Piezoelektrik er bemærkelsesværdige materialer, der deformeres ved påføring af et elektrisk felt og, omvendt, producere en elektrisk strøm, når den komprimeres. De bruges i mange elektronikapplikationer, herunder som elektromekaniske aktuatorer og som sensorer til belastning og acceleration. Tynde film af piezoelektriske materialer bliver også integreret i mikroelektromekaniske systemer (MEMS) kredsløb og enheder.

I årtier, PZT var det valgte piezoelektriske materiale, da det tilbød den grad af deformation eller følsomhed, der er nødvendig for praktiske anvendelser. Imidlertid, PZT indeholder 60 procent bly - et giftigt metal, som engang blev brugt i elektronik, er blevet forbudt.

Et alternativt materiale, som er baseret på en kalium-natrium-niobat-sammensætning og er kendt som KNN, bruges som erstatning for PZT i mange bulkapplikationer. Alligevel er tynde film af KNN problematiske, fordi de er genstand for en nedbrydning af sammensætningskontrol og den atomare orden, der er nødvendig for at producere den piezoelektriske effekt.

Nu, Kui Yao og kolleger fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, i samarbejde med forskere fra National University of Singapore, har vist, at en løsningsbaseret fremstillingsmetode ved hjælp af en omhyggeligt formuleret cocktail af kemiske midler kan producere tynde film af KNN med en piezoelektrisk ydeevne, der kan sammenlignes med PZT.

"Det har været udfordrende at opnå fremragende piezoelektriske egenskaber i KNN-baserede tynde film, fordi de fasebetingelser, der er nødvendige for den piezoelektriske effekt, afhænger meget følsomt af sammensætningen, " forklarer Yao. "I KNN, det har været vanskeligt at undertrykke tabet af flygtige elementer, der er nødvendige for disse forhold."

Yao og hans team overvandt dette problem ved at tilføje en blanding af kemiske stabiliserende midler - raffineret gennem mere end ti års forskning - til forløberløsningen, der blev brugt til at fremstille KNN-tynde film. Interaktionerne mellem de flygtige alkaliioner i opløsning og stabiliseringsmidlet undertrykte fordampning, tillader sammensætningen af ​​de resulterende film at være godt kontrolleret.

"Med filmkompositionen under kontrol, vi var i stand til at studere faseovergangene i materialet og deres afhængighed af den kemiske sammensætning og stress i de KNN-baserede tyndfilm, " siger Yao.

Gennem lasermålinger kombineret med teoretisk analyse fra første princips simuleringer, holdet bekræftede, at ydeevnen af ​​deres piezoelektriske film gør dem til et levedygtigt blyfrit alternativ til PZT.