(PhysOrg.com) -- Integratie van een complex, monokristallijn materiaal met "gigantische" piëzo-elektrische eigenschappen op silicium, Ingenieurs en natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Madison kunnen laagspannings, bijna-nanoschaal elektromechanische apparaten die kunnen leiden tot verbeteringen in 3D-beeldvorming met hoge resolutie, signaalverwerking, communicatie, energie oogsten, voelen, en actuatoren voor apparaten voor nanopositionering, onder andere.

Onder leiding van Chang-Beom Eom, een UW-Madison hoogleraar materiaalkunde en techniek en natuurkunde, het multi-institutionele team publiceerde zijn resultaten op 18 november, uitgave van het tijdschrift Wetenschap . (Eom en zijn studenten zijn ook co-auteurs van een ander artikel, "Domeindynamiek tijdens ferro-elektrisch schakelen, " gepubliceerd in hetzelfde nummer.)

Piëzo-elektrische materialen gebruiken mechanische beweging om een ​​elektrisch signaal te genereren, zoals het licht dat flitst in de hakken van sommige kinderschoenen als ze met hun voeten stampen. Omgekeerd, piëzo-elektrische apparaten kunnen ook een elektrisch signaal gebruiken om mechanische beweging te genereren, bijvoorbeeld piëzo-elektrische materialen worden gebruikt om hoogfrequente akoestische golven te genereren voor ultrasone beeldvorming.

Eom bestudeert het geavanceerde piëzo-elektrische materiaal loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat, of PMN-PT. Dergelijke materialen vertonen een "gigantische" piëzo-elektrische respons die een veel grotere mechanische verplaatsing kan leveren met dezelfde hoeveelheid elektrisch veld als traditionele piëzo-elektrische materialen. Ze kunnen ook fungeren als zowel actuatoren als sensoren. Bijvoorbeeld, ze gebruiken elektriciteit om een ​​ultrasone golf af te geven die diep in het lichaam doordringt en gegevens teruggeeft die een hoogwaardig 3D-beeld kunnen weergeven.

Momenteel, een belangrijke beperking van deze geavanceerde materialen is dat om ze op te nemen in zeer kleinschalige apparaten, onderzoekers beginnen met een bulkmateriaal en malen, knippen en polijsten tot het gewenste formaat. Het is een onnauwkeurige, foutgevoelig proces dat intrinsiek ongeschikt is voor nano-elektromechanische systemen (NEMS) of micro-elektromechanische systemen (MEMS).

Tot nu, de complexiteit van PMN-PT heeft de inspanningen van onderzoekers om eenvoudige, reproduceerbare fabricagetechnieken op microschaal.

Het toepassen van fabricagetechnieken op microschaal zoals die worden gebruikt in computerelektronica, Het team van Eom heeft die barrière overwonnen. Hij en zijn collega's werkten vanaf het begin om PMN-PT naadloos op silicium te integreren. Vanwege mogelijke chemische reacties tussen de componenten, ze gelaagde materialen en planden zorgvuldig de locaties van individuele atomen. "Je moet eerst het juiste element neerleggen, "zegt Eom.

Op een silicium "platform, " zijn team voegt een zeer dunne laag strontiumtitanaat toe, die fungeert als een sjabloon en de structuur van silicium nabootst. Vervolgens komt een laag strontiumruthenaat, een elektrode die Eom enkele jaren geleden ontwikkelde, en tenslotte, het eenkristal piëzo-elektrisch materiaal PMN-PT.

De onderzoekers hebben de piëzo-elektrische respons van het materiaal gekarakteriseerd, die correleert met theoretische voorspellingen. "De eigenschappen van het eenkristal dat we op silicium hebben geïntegreerd, zijn net zo goed als het bulkeenkristal, "zegt Eom.

Zijn team noemt apparaten vervaardigd uit dit gigantische piëzo-elektrische materiaal "hyperactieve MEMS" vanwege hun potentieel om onderzoekers een hoog niveau van actieve controle te bieden. Met behulp van het materiaal, zijn team ontwikkelde ook een proces voor het vervaardigen van piëzo-elektrische MEMS. Toegepast in signaalverwerking, communicatie, medische beeldvorming en nanopositioneringsactuatoren, hyperactieve MEMS-apparaten kunnen het stroomverbruik verminderen en de actuatorsnelheid en sensorgevoeligheid verhogen. Aanvullend, via een proces dat energie oogsten wordt genoemd, hyperactieve MEMS-apparaten kunnen energie van bronnen zoals mechanische trillingen omzetten in elektriciteit die andere kleine apparaten van stroom voorziet, bijvoorbeeld voor draadloze communicatie.

De National Science Foundation financiert het onderzoek via een vierjarige, NIRT-subsidie ​​van $ 1,35 miljoen. Bij UW-Madison, teamleden zijn onder meer Lynn H. Matthias Professor in Electrical and Computer Engineering Professor Robert Blick en Physics Professor Mark Rzchowski. Andere medewerkers zijn onder meer mensen van het National Institute of Standards and Technology, Staatsuniversiteit van Pennsylvania, de Universiteit van Michigan, Argonne Nationaal Laboratorium, de Universiteit van Californië in Berkeley, en de Cornell-universiteit.