Een vooruitgang in fabricagetechnologie heeft de materiaalkwaliteit en prestaties van dunne films van een loodvrij 'piëzo-elektrisch' materiaal aanzienlijk verbeterd. Deze ontwikkeling door A*STAR-onderzoekers belooft een loodvrij alternatief voor de lood-zirkoon-titanaat (PZT)-standaard te ontsluiten.

Piëzo-elektrische materialen zijn opmerkelijke materialen die vervormen bij het aanleggen van een elektrisch veld en, omgekeerd, produceren een elektrische stroom wanneer gecomprimeerd. Ze worden gebruikt in veel elektronische toepassingen, onder meer als elektromechanische actuatoren en als sensoren voor spanning en versnelling. Dunne films van piëzo-elektrische materialen worden ook geïntegreerd in micro-elektromechanische systemen (MEMS) circuits en apparaten.

Al decenia, PZT was het piëzo-elektrische materiaal bij uitstek, omdat het de mate van vervorming of gevoeligheid bood die nodig was voor praktische toepassingen. Echter, PZT bevat 60 procent lood, een giftig metaal, die, hoewel ooit veel gebruikt in de elektronica, is verbannen.

Een alternatief materiaal, die is gebaseerd op een samenstelling van kalium-natrium-niobaat en bekend staat als KNN, wordt in veel bulktoepassingen gebruikt als vervanging voor PZT. Maar dunne films van KNN zijn problematisch omdat ze onderhevig zijn aan een afbraak van de samenstellingscontrole en de atomaire ordening die nodig is om het piëzo-elektrische effect te produceren.

Nutsvoorzieningen, Kui Yao en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, in samenwerking met onderzoekers van de National University of Singapore, hebben aangetoond dat een op oplossingen gebaseerde fabricagemethode met behulp van een zorgvuldig samengestelde cocktail van chemische middelen dunne films van KNN kan produceren met een piëzo-elektrische prestatie die vergelijkbaar is met PZT.

"Het was een uitdaging om uitstekende piëzo-elektrische eigenschappen te bereiken in op KNN gebaseerde dunne films, omdat de fase-omstandigheden die nodig zijn voor het piëzo-elektrische effect zeer gevoelig afhangen van de samenstelling, " legt Yao uit. "In KNN, het was moeilijk om het verlies van vluchtige elementen die nodig zijn voor deze omstandigheden te onderdrukken."

Yao en zijn team hebben dit probleem overwonnen door een mengsel van chemische stabilisatoren toe te voegen - verfijnd gedurende meer dan tien jaar onderzoek - aan de precursoroplossing die werd gebruikt om de KNN-dunne films te maken. De interacties tussen de vluchtige alkali-ionen in oplossing en het stabiliserende middel onderdrukten de vervluchtiging, waardoor de samenstellingen van de resulterende films goed kunnen worden gecontroleerd.

"Met de filmcompositie onder controle, we waren in staat om de faseovergangen in het materiaal en hun afhankelijkheid van de chemische samenstelling en spanning in de op KNN gebaseerde dunne films te bestuderen, ' zegt Yao.

Door lasermetingen gecombineerd met theoretische analyse uit eerste-principesimulaties, het team bevestigde dat de prestaties van hun piëzo-elektrische films hen een levensvatbaar loodvrij alternatief voor PZT maken.