Ny teknik producerer fritstående piezoelektriske ferroelektriske nanostrukturer fra PZT-materiale

(PhysOrg.com)-Forskere har udviklet en “soft template infiltration” teknik til fremstilling af fritstående piezoelektrisk aktive ferroelektriske nanorør og andre nanostrukturer fra PZT-et materiale, der er attraktivt på grund af dets store piezoelektriske respons. Udviklet ved Georgia Institute of Technology, teknikken tillader fremstilling af ferroelektriske nanostrukturer med brugerdefinerede former, placering og mønstervariation på tværs af det samme substrat.

De resulterende strukturer, som er 100 til 200 nanometer i ydre diameter med en tykkelse fra 5 til 25 nanometer, vise et piezoelektrisk svar, der svarer til det for PZT tynde film med meget større dimensioner. Teknikken kan i sidste ende føre til produktion af aktivt afstembare fotoniske og fononiske krystaller, terahertz -udsendere, energihøstere, mikromotorer, mikropumper og nanoelektromekaniske sensorer, aktuatorer og transducere - alle fremstillet af PZT -materialet.

Ved hjælp af en ny karakteriseringsteknik udviklet på Oak Ridge National Laboratory, forskerne lavede for første gang in-situ målinger med høj nøjagtighed af strukturenes piezoelektriske nanoskalaegenskaber.

"Vi bruger en ny nanofremstillingsmetode til at skabe tredimensionelle nanostrukturer med høje aspektforhold i ferroelektriske materialer, der har attraktive piezoelektriske egenskaber, ”Sagde Nazanin Bassiri-Gharb, en adjunkt i Georgia Tech’s Woodruff School of Mechanical Engineering. "Vi udnyttede også en ny karakteriseringsmetode tilgængelig via Oak Ridge for at studere den piezoelektriske reaktion af disse nanostrukturer på det substrat, hvor de blev produceret."

Forskningen blev offentliggjort online den 26. januar, 2012, og er planlagt til offentliggørelse i den trykte udgave (bind 24, Nummer 9) i tidsskriftet Avancerede materialer . Undersøgelsen blev understøttet af Georgia Tech nye fakultets startfonde.

Ferroelektriske materialer i nanometerskala er lovende til en lang række anvendelser, men at forarbejde dem til nyttige enheder har vist sig at være udfordrende - på trods af succes med at producere sådanne enheder i mikrometerskalaen. Top-down produktionsteknikker, såsom fokuseret ionstrålefræsning, tillade nøjagtig definition af enheder i nanometerskala, men processen kan forårsage overfladeskader, der forringer de ferroelektriske og piezoelektriske egenskaber, der gør materialet interessant.

Indtil nu, bottom-up-fremstillingsteknikker har ikke været i stand til at producere strukturer med både høje aspektforhold og præcis kontrol over placering. Teknikken rapporteret af Georgia Tech -forskerne tillader produktion af nanorør fremstillet af PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) med billedformater på op til 5 til 1.

”Denne teknik giver os en grad af kontrol over den tredimensionelle proces, som vi ikke har haft før, ”Sagde Bassiri-Gharb. "Da vi lavede karakteriseringen, vi så en størrelseeffekt, der indtil nu kun var blevet observeret i tynde film af dette materiale i meget større størrelsesskalaer. ”

De ferroelektriske nanorør er især interessante, fordi deres egenskaber - herunder størrelse, form, optiske reaktioner og dielektriske egenskaber - kan styres af eksterne kræfter, selv efter at de er fremstillet.

”Det er virkelig smarte materialer, hvilket betyder, at de reagerer på eksterne stimuli såsom anvendte elektriske felter, termiske felter eller spændingsfelter, ”Sagde Bassiri-Gharb. ”Du kan indstille dem til at opføre sig anderledes. Enheder fremstillet af disse materialer kunne finjusteres til at reagere på en anden bølgelængde eller udsende med en anden bølgelængde under drift. ”

For eksempel, den piezoelektriske effekt kunne muliggøre fremstilling af "nano-muskel" rør, der ville fungere som små pumper, når et elektrisk felt påføres dem. Felterne kunne også bruges til at justere egenskaberne af fotoniske krystaller, eller at skabe strukturer, hvis størrelse kan ændres lidt for at absorbere elektromagnetisk energi med forskellige bølgelængder.

Ved fremstilling af nanorørene, Bassiri-Gharb og kandidatstuderende Ashley Bernal (i øjeblikket assisterende professor ved Rose-Hulman Institute of Technology) begyndte med et siliciumsubstrat og centrifugerede et negativt elektronstrålebestandigt materiale på det. En skabelon blev oprettet ved hjælp af elektronstråle litografi, og et tyndt lag aluminiumoxid blev tilsat oveni ved hjælp af atomlagsaflejring.

Næste, skabelonen blev nedsænket under vakuum i et ultralydsbad indeholdende en kemisk precursoropløsning til PZT. Strukturerne blev pyrolyseret ved 300 grader Celsius, derefter glødet i en totrins varmebehandlingsproces ved 600 og 800 grader Celsius for at krystallisere materialet og nedbryde polymersubstratet. Processen frembragte fritstående PZT-nanorør forbundet med et tyndt lag af det originale aluminiumoxid. Forøgelse af mængden af ​​kemisk infiltration tillader produktion af faste nanoroder eller nanotråde i stedet for hule nanorør.

Selvom forskerne brugte elektronstråle litografi til at skabe den skabelon, hvorpå strukturerne blev dyrket, i princippet, mange andre kemikalier, optiske eller mekaniske mønstre teknikker kunne bruges til at oprette skabeloner, Bassiri-Gharb noteret.

I undersøgelser udført i samarbejde med forskere Sergei Kalinin og Alexander Tselev fra Center for Nanophase Materials Sciences ved Oak Ridge National Laboratory, de enheder, der blev produceret ved soft template-processen, blev analyseret med bånd-excitation piezoresponse force microscopy (BPFM). Teknikken tillod forskere at isolere egenskaber ved AFM -spidsen fra PZT -prøvens egenskaber, muliggøre analyse i tilstrækkelig detaljer til at detektere størrelsesskala piezoelektriske effekter.

"En af vores vigtigste observationer er, at disse piezoelektriske nanomaterialer giver os mulighed for at generere en faktor på fire til seks stigninger i det ekstrinsiske piezoelektriske respons sammenlignet med brugen af ​​tynde film, ”Sagde Baassiri-Gharb. "Dette ville være en kæmpe fordel med hensyn til fremstilling, fordi det betyder, at vi kunne få det samme svar fra meget mindre strukturer, end vi ellers skulle have brugt."