MIT-onderzoekers hebben een eenvoudige, goedkope methode om ultradunne films in 3D te printen met hoogwaardige "piëzo-elektrische" eigenschappen, die kunnen worden gebruikt voor componenten in flexibele elektronica of zeer gevoelige biosensoren.

Piëzo-elektrische materialen produceren een spanning als reactie op fysieke belasting, en ze reageren op een spanning door fysiek te vervormen. Ze worden vaak gebruikt voor transducers, die energie van de ene vorm in de andere omzetten. Robotachtige actuatoren, bijvoorbeeld, gebruik piëzo-elektrische materialen om verbindingen en onderdelen te bewegen in reactie op een elektrisch signaal. En verschillende sensoren gebruiken de materialen om veranderingen in druk om te zetten, temperatuur, kracht, en andere fysieke prikkels, in een meetbaar elektrisch signaal.

Onderzoekers proberen al jaren piëzo-elektrische ultradunne films te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt als energieoogstmachines, gevoelige druksensoren voor touchscreens, en andere componenten in flexibele elektronica. De films kunnen ook worden gebruikt als kleine biosensoren die gevoelig genoeg zijn om de aanwezigheid van moleculen te detecteren die biomarkers zijn voor bepaalde ziekten en aandoeningen.

Het materiaal bij uitstek voor die toepassingen is vaak een soort keramiek met een kristalstructuur die door zijn extreme dunheid resoneert bij hoge frequenties. (Hogere frequenties vertalen zich in feite in hogere snelheden en hogere gevoeligheid.) met traditionele fabricagetechnieken, het maken van ultradunne keramische films is een complex en duur proces.

In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste materialen en interfaces , beschrijven de MIT-onderzoekers een manier om keramische transducers van ongeveer 100 nanometer dun in 3D te printen door een additieve fabricagetechniek aan te passen voor het proces dat objecten laag voor laag bouwt, op kamertemperatuur. De films kunnen worden bedrukt op flexibele substraten zonder prestatieverlies, en kan resoneren rond de 5 gigahertz, die hoog genoeg is voor krachtige biosensoren.

"Het maken van transducerende componenten vormt de kern van de technologische revolutie, " zegt Luis Fernando Velaśquez-García, een onderzoeker in de Microsystems Technology Laboratories (MTL) van de afdeling Electrical Engineering and Computer Science. "Tot nu, men dacht dat 3D-geprinte transducerende materialen slechte prestaties zouden leveren. Maar we hebben een additieve fabricagemethode ontwikkeld voor piëzo-elektrische transducers bij kamertemperatuur, en de materialen oscilleren op gigahertz-niveau frequenties, dat is een orde van grootte hoger dan alles wat eerder is gefabriceerd door middel van 3D-printen."

Naast Velaśquez-García op het papier is eerste auteur Brenda García-Farrera van MTL en het Monterrey Institute of Technology and Higher Education in Mexico.

Elektrosprayen van nanodeeltjes

Keramische piëzo-elektrische dunne films, gemaakt van aluminiumnitride of zinkoxide, kan worden vervaardigd door middel van fysieke dampafzetting en chemische dampafzetting. Maar die processen moeten worden voltooid in steriele cleanrooms, onder hoge temperatuur en hoog vacuüm omstandigheden. Dat kan tijdrovend zijn, duur proces.

Er zijn goedkopere 3D-geprinte piëzo-elektrische dunne films beschikbaar. Maar die zijn gemaakt met polymeren, die moeten worden "gepoold" - wat betekent dat ze piëzo-elektrische eigenschappen moeten krijgen nadat ze zijn afgedrukt. Bovendien, die materialen worden meestal tientallen micron dik en kunnen dus niet worden gemaakt in ultradunne films die in staat zijn tot hoogfrequente activering.

Het systeem van de onderzoekers past een additieve fabricagetechniek aan, zogenaamde near-field elektrohydrodynamische depositie (NFEHD), die hoge elektrische velden gebruikt om een ​​vloeistofstraal door een mondstuk te spuiten om een ​​ultradunne film af te drukken. Tot nu, de techniek is niet gebruikt om films met piëzo-elektrische eigenschappen te printen.

De vloeibare grondstof van de onderzoekers - grondstof die wordt gebruikt bij 3D-printen - bevat nanodeeltjes van zinkoxide gemengd met enkele inerte oplosmiddelen, dat zich vormt tot een piëzo-elektrisch materiaal wanneer het op een substraat wordt gedrukt en wordt gedroogd. De grondstof wordt door een holle naald in een 3D-printer gevoerd. Zoals het afdrukt, de onderzoekers passen een specifieke voorspanning toe op de punt van de naald en regelen de stroomsnelheid, waardoor de meniscus - de kromming die aan de bovenkant van een vloeistof wordt gezien - zich in een kegelvorm vormt die een fijne straal uit zijn punt uitstoot.

De straal is van nature geneigd om in druppeltjes te breken. Maar als de onderzoekers de punt van de naald dicht bij het substraat brengen - ongeveer een millimeter - breekt de straal niet uit elkaar. Dat proces print lang, smalle lijnen op een ondergrond. Ze overlappen dan de lijnen en drogen ze op ongeveer 76 graden Fahrenheit, ondersteboven hangen.

Door de film precies op die manier te printen, ontstaat een ultradunne film met kristalstructuur met piëzo-elektrische eigenschappen die resoneert met ongeveer 5 gigahertz. "Als er iets van dat proces ontbreekt, het werkt niet, " zegt Velaśquez-García.

Met behulp van microscopietechnieken, het team kon bewijzen dat de films een veel sterkere piëzo-elektrische respons hebben, oftewel het meetbare signaal dat het uitzendt, dan films die zijn gemaakt met traditionele bulkfabricagemethoden. Die methoden bepalen niet echt de piëzo-elektrische asrichting van de film, die de respons van het materiaal bepaalt. "Dat was een beetje verrassend, " zegt Velaśquez-García. "In die bulkmaterialen, ze kunnen inefficiënties in de structuur hebben die de prestaties beïnvloeden. Maar als je materialen op nanoschaal kunt manipuleren, je krijgt een sterkere piëzo-elektrische respons."

Goedkope sensoren

Omdat de piëzo-elektrische ultradunne films 3D-geprint zijn en resoneren bij zeer hoge frequenties, ze kunnen worden gebruikt om goedkope, zeer gevoelige sensoren. De onderzoekers werken momenteel samen met collega's in Monterrey Tec als onderdeel van een samenwerkingsprogramma in nanowetenschap en nanotechnologie, piëzo-elektrische biosensoren maken om biomarkers voor bepaalde ziekten en aandoeningen te detecteren.

In deze biosensoren is een resonantiecircuit geïntegreerd, waardoor de piëzo-elektrische ultradunne film oscilleert met een specifieke frequentie, en het piëzo-elektrische materiaal kan worden gefunctionaliseerd om bepaalde biomarkers van moleculen naar het oppervlak te trekken. Als de moleculen aan het oppervlak blijven plakken, het zorgt ervoor dat het piëzo-elektrische materiaal de frequentieoscillaties van het circuit enigszins verschuift. Die kleine frequentieverschuiving kan worden gemeten en gecorreleerd aan een bepaalde hoeveelheid van het molecuul dat zich ophoopt op het oppervlak.

De onderzoekers ontwikkelen ook een sensor om het verval van elektroden in brandstofcellen te meten. Dat zou op dezelfde manier werken als de biosensor, maar de verschuivingen in frequentie zouden correleren met de degradatie van een bepaalde legering in de elektroden. "We maken sensoren die de gezondheid van brandstofcellen kunnen diagnosticeren, om te zien of ze moeten worden vervangen, " zegt Velaśquez-García. "Als je de gezondheid van deze systemen in realtime beoordeelt, u kunt beslissen wanneer u ze moet vervangen, voordat er iets ernstigs gebeurt."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.