Gennembrud i mikrofabrikation kunne sætte piezoelektriske materialeanvendelser i gang

(PhysOrg.com) -- Integrering af et kompleks, enkeltkrystalmateriale med "gigantiske" piezoelektriske egenskaber på silicium, University of Wisconsin-Madison ingeniører og fysikere kan fremstille lavspænding, elektromekaniske enheder i næsten nanoskala, der kan føre til forbedringer i højopløsnings 3D-billeddannelse, signalbehandling, kommunikation, energihøst, sansning, og aktuatorer til nanopositioneringsanordninger, blandt andre.

Anført af Chang-Beom Eom, en UW-Madison professor i materialevidenskab og teknik og fysik, det multiinstitutionelle team offentliggjorde sine resultater den 18. november, udgave af tidsskriftet Videnskab . (Eom og hans elever er også medforfattere på et andet papir, "Domænedynamik under ferroelektrisk kobling, " offentliggjort i samme nummer.)

Piezoelektriske materialer bruger mekanisk bevægelse til at generere et elektrisk signal, såsom lyset, der blinker i nogle børns skohæle, når de tramper med fødderne. Omvendt piezoelektrik kan også bruge et elektrisk signal til at generere mekanisk bevægelse - f.eks. piezoelektriske materialer bruges til at generere højfrekvente akustiske bølger til ultralydsbilleddannelse.

Eom studerer det avancerede piezoelektriske materiale bly magnesium niobat-bly titanat, eller PMN-PT. Sådanne materialer udviser en "gigantisk" piezoelektrisk respons, der kan levere meget større mekanisk forskydning med samme mængde elektrisk felt som traditionelle piezoelektriske materialer. De kan også fungere som både aktuatorer og sensorer. For eksempel, de bruger elektricitet til at levere en ultralydsbølge, der trænger dybt ind i kroppen og returnerer data, der er i stand til at vise et højkvalitets 3D-billede.

I øjeblikket, en væsentlig begrænsning ved disse avancerede materialer er, at at inkorporere dem i meget små enheder, forskere starter med et bulkmateriale og maler, klip og poler det til den størrelse, de ønsker. Det er en upræcis, fejltilbøjelig proces, der i sig selv er dårligt egnet til nanoelektromekaniske systemer (NEMS) eller mikroelektromekaniske systemer (MEMS).

Indtil nu, kompleksiteten af ​​PMN-PT har forpurret forskernes bestræbelser på at udvikle enkle, reproducerbare mikroskala fremstillingsteknikker.

Anvendelse af mikroskalafremstillingsteknikker, såsom dem, der anvendes i computerelektronik, Eoms team har overvundet den barriere. Han og hans kolleger arbejdede fra bunden for at integrere PMN-PT problemfrit på silicium. På grund af potentielle kemiske reaktioner mellem komponenterne, de lagde materialer og planlagde omhyggeligt de enkelte atomers placering. "Du skal først lægge det rigtige element ned, " siger Eom.

På en silicium "platform, "hans team tilføjer et meget tyndt lag strontiumtitanat, der fungerer som skabelon og efterligner siliciums struktur. Dernæst kommer et lag strontiumruthenat, en elektrode Eom udviklet for nogle år siden, og endelig, det enkrystal piezoelektriske materiale PMN-PT.

Forskerne har karakteriseret materialets piezoelektriske respons, som korrelerer med teoretiske forudsigelser. "Egenskaberne af den enkeltkrystal, vi integrerede på silicium, er lige så gode som den bulk-enkeltkrystal, " siger Eom.

Hans team kalder enheder fremstillet af dette gigantiske piezoelektriske materiale "hyperaktive MEMS" for deres potentiale til at tilbyde forskere et højt niveau af aktiv kontrol. Ved at bruge materialet, hans team udviklede også en proces til fremstilling af piezoelektriske MEMS. Anvendt i signalbehandling, kommunikation, medicinsk billeddannelse og nanopositioneringsaktuatorer, hyperaktive MEMS-enheder kan reducere strømforbruget og øge aktuatorhastigheden og sensorfølsomheden. Derudover gennem en proces kaldet energihøst, hyperaktive MEMS-enheder kunne konvertere energi fra kilder såsom mekaniske vibrationer til elektricitet, der driver andre små enheder - f.eks. til trådløs kommunikation.

National Science Foundation finansierer forskningen via en fireårig, NIRT-tilskud på 1,35 millioner dollars. Hos UW-Madison, teammedlemmer omfatter Lynn H. Matthias professor i elektro- og computerteknik professor Robert Blick og fysikprofessor Mark Rzchowski. Andre samarbejdspartnere omfatter folk ved National Institute of Standards and Technology, Pennsylvania State University, University of Michigan, Argonne National Laboratory, University of California i Berkeley, og Cornell University.