Piëzo-elektrische materialen worden gebruikt voor toepassingen variërend van de vonkontsteking in barbecueroosters tot de transducers die nodig zijn voor medische echografie. Dunne-film piëzo-elektriciteit, met afmetingen op de schaal van micrometers of kleiner, bieden potentieel voor nieuwe toepassingen waar kleinere afmetingen of een lagere spanning vereist zijn.

Onderzoekers van de Pennsylvania State University hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd voor het maken van piëzo-elektrische micro-elektromechanische systemen (MEMS) door een monster van piëzo-elektrische dunne films van loodzirkonaattitanaat (PZT) te verbinden met flexibele polymeersubstraten. Promovendus Tianning Liu en haar co-auteurs rapporteren deze week over hun resultaten in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"Er is een rijke geschiedenis van werk aan piëzo-elektrische dunne films, maar films op harde substraten hebben beperkingen die afkomstig zijn van het substraat, " zei Thomas N. Jackson, een professor aan Penn State en een van de auteurs van het artikel. "Dit werk opent nieuwe gebieden voor dunne-film piëzo-elektrische systemen die de afhankelijkheid van het substraat verminderen."

De onderzoekers kweekten dunne polykristallijne PZT-films op een siliciumsubstraat met een zinkoxide-lossingslaag, waaraan ze een dunne laag polyimide toevoegden. Vervolgens gebruikten ze azijnzuur om het zinkoxide weg te etsen, het loslaten van de 1 micrometer dikke PZT-film met de polyimidelaag van het siliciumsubstraat. De PZT-film op polyimide is flexibel en heeft verbeterde materiaaleigenschappen in vergelijking met films die op stijve substraten worden gekweekt.

Piëzo-elektrische apparaten vertrouwen op het vermogen van sommige stoffen zoals PZT om elektrische ladingen te genereren wanneer ze fysiek vervormd zijn, of omgekeerd om te vervormen wanneer er een elektrisch veld op wordt toegepast. Het kweken van hoogwaardige PZT-films, echter, vereist doorgaans temperaturen van meer dan 650 graden Celsius, bijna 300 graden heter dan waar polyimide tegen kan zonder te verslechteren.

De meeste huidige piëzo-elektrische apparaattoepassingen gebruiken bulkmaterialen, die miniaturisatie belemmert, aanzienlijke flexibiliteit in de weg staat, en vereist een hoogspanningsbedrijf.

"Bijvoorbeeld, als u een ultrasone transducer in een katheter wilt plaatsen, met een PZT-film op een polymeersubstraat kunt u de transducer rond de omtrek van de katheter wikkelen, " zei Liu. "Dit zou een aanzienlijke miniaturisatie mogelijk maken, en zou de arts meer informatie moeten geven."

De prestaties van veel piëzo-elektrische dunne films zijn beperkt door substraatklemming, een fenomeen waarbij het stijve substraat de beweging van de domeinwanden van het piëzo-elektrische materiaal beperkt en de eigenschappen ervan verslechtert. Er is enig werk gedaan om PZT te kristalliseren bij temperaturen die compatibel zijn met polymere materialen, bijvoorbeeld met behulp van laserkristallisatie, maar de resultaten tot dusver hebben geleid tot poreuze dunne films en inferieure materiaaleigenschappen.

De vrijgekomen dunne films op polyimide die de onderzoekers ontwikkelden, hadden een toename van 45 procent in remanente polarisatie ten opzichte van siliciumsubstraatcontroles, wat wijst op een aanzienlijke vermindering van het vastklemmen van het substraat en verbeterde prestaties. Zelfs dan, Liu zei, er is nog veel werk voordat dunne-film MEMS-apparaten kunnen concurreren met bulk piëzo-elektrische systemen.

"Er is nog steeds een grote kloof tussen het aanbrengen van PZT op dunne film en bulk, "zei ze. "Het is niet zo groot als tussen bulk en substraat, maar er zijn ook dingen zoals meer defecten die bijdragen aan de lagere respons van de dunne-filmmaterialen."