Onderzoekers van het Department of Materials Science and Engineering en het Materials Research Institute in Penn State maken deel uit van een multidisciplinair team van onderzoekers van universiteiten en nationale laboratoria in de VS die piëzo-elektrische dunne films hebben gefabriceerd met recordeigenschappen. Deze gemanipuleerde films hebben een groot potentieel voor toepassingen voor het oogsten van energie, evenals in micro-elektromechanische systemen (MEMS), micro-actuatoren, en sensoren voor een verscheidenheid aan geminiaturiseerde systemen, zoals echografie, microfluïdica, en mechanische detectie.

Piëzo-elektrische materialen kunnen elektrische energie omzetten in mechanische energie en omgekeerd. De meeste MEMS gebruiken silicium, het standaardmateriaal voor halfgeleiderelektronica, als ondergrond. Door piëzo-elektrische dunne films te integreren op op silicium gebaseerde MEMS-apparaten met afmetingen van micrometers tot enkele millimeters groot, wordt een actieve component toegevoegd die kan profiteren van beweging, zoals een voetstap of een vibrerende motor, om elektrische stroom op te wekken, of gebruik een kleine aangelegde spanning om beweging op micronniveau te creëren, zoals bij het scherpstellen van een digitale camera.

Eerder, de beste piëzo-elektrische MEMS-apparaten werden gemaakt met lagen silicium en loodzirkoniumtitanaat (PZT) films. Onlangs, een team onder leiding van Chang-Beom Eom van de Universiteit van Wisconsin-Madison synthetiseerde een dunne film van loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PMN-PT), geïntegreerd op een siliciumsubstraat.

Het Penn State-team, onder leiding van Susan Trolier-McKinstry, hoogleraar keramische wetenschappen en techniek, en inclusief onderzoeksmedewerker Srowthi Bharadwaja, doctoraat, de elektrische en piëzo-elektrische prestaties van de dunne films gemeten en de PMN-PT-films vergeleken met de gerapporteerde waarden van andere micromachinale actuatormaterialen om het potentieel van PMN-PT voor actuator- en energieoogsttoepassingen aan te tonen.

In een recent artikel in Science, het team rapporteerde de hoogste waarden van piëzo-elektrische eigenschappen voor elke piëzo-elektrische dunne film tot nu toe, en een twee keer hoger cijfer van verdienste dan de best gerapporteerde PZT-films voor toepassingen voor het oogsten van energie. Deze toename van de effectieve piëzo-elektrische activiteit in een dunne film zal resulteren in een dramatische verbetering van de prestatie. Bijvoorbeeld, het oogsten van energie met behulp van dergelijke dunne films zal lokale stroombronnen leveren voor draadloze sensorknooppunten voor bruggen, vliegtuigen, en mogelijk voor lichaamssensoren.

Samen met de onderzoekers van Penn State en UW-Madison, de deelnemende instellingen waren onder meer het National Institute of Standards and Technology (NIST), Universiteit van Michigan, Universiteit van Californië, Berkeley, Cornell universiteit, en Argonne Nationaal Laboratorium. De krant, getiteld "Giant piëzo-elektriciteit op Si voor hyperactieve MEMS, ” verscheen in het nummer van 18 november van Wetenschap . Het werk bij Penn State werd ondersteund door een National Security Science and Engineering Faculty Fellowship. Andere steun werd verleend door de National Science Foundation, het ministerie van Energie, het Air Force Office voor Wetenschappelijk Onderzoek, en een David Lucile Packard Fellowship.