(PhysOrg.com) -- Onderzoekers hebben een "zachte sjablooninfiltratie"-techniek ontwikkeld voor het vervaardigen van vrijstaande piëzo-elektrisch actieve ferro-elektrische nanobuizen en andere nanostructuren van PZT - een materiaal dat aantrekkelijk is vanwege zijn grote piëzo-elektrische respons. Ontwikkeld aan het Georgia Institute of Technology, de techniek maakt fabricage van ferro-elektrische nanostructuren met door de gebruiker gedefinieerde vormen mogelijk, locatie en patroonvariatie over hetzelfde substraat.

De resulterende structuren, met een buitendiameter van 100 tot 200 nanometer met een dikte van 5 tot 25 nanometer, laten een piëzo-elektrische respons zien die vergelijkbaar is met die van dunne PZT-films met veel grotere afmetingen. De techniek zou uiteindelijk kunnen leiden tot de productie van actief afstembare fotonische en fononische kristallen, terahertz-stralers, energie oogstmachines, micromotoren, micropompen en nano-elektromechanische sensoren, actuatoren en transducers - allemaal gemaakt van het PZT-materiaal.

Met behulp van een nieuwe karakteriseringstechniek die is ontwikkeld in het Oak Ridge National Laboratory, de onderzoekers deden voor het eerst zeer nauwkeurige in-situ metingen van de piëzo-elektrische eigenschappen van de structuren op nanoschaal.

"We gebruiken een nieuwe nano-productiemethode voor het creëren van driedimensionale nanostructuren met hoge aspectverhoudingen in ferro-elektrische materialen met aantrekkelijke piëzo-elektrische eigenschappen, ” zei Nazanin Bassiri-Gharb, een assistent-professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "We hebben ook gebruik gemaakt van een nieuwe karakteriseringsmethode die beschikbaar is via Oak Ridge om de piëzo-elektrische respons van deze nanostructuren op het substraat waar ze werden geproduceerd te bestuderen."

Het onderzoek werd online gepubliceerd op 26 januari, 2012, en is gepland voor publicatie in de gedrukte editie (Vol. 24, Nummer 9) van het tijdschrift Geavanceerde materialen . Het onderzoek werd ondersteund door Georgia Tech nieuwe opstartfondsen van de faculteit.

Ferro-elektrische materialen op nanometerschaal zijn veelbelovend voor een breed scala aan toepassingen, maar het verwerken ervan tot bruikbare apparaten bleek een uitdaging - ondanks het succes bij het produceren van dergelijke apparaten op micrometerschaal. Productietechnieken van bovenaf, zoals gefocusseerd ionenstraalfrezen, nauwkeurige definitie van apparaten op nanometerschaal mogelijk maken, maar het proces kan oppervlakteschade veroorzaken die de ferro-elektrische en piëzo-elektrische eigenschappen verslechtert die het materiaal interessant maken.

Tot nu, bottom-up fabricagetechnieken zijn niet in staat geweest om structuren te produceren met zowel hoge aspectverhoudingen als nauwkeurige controle over de locatie. De techniek die is gerapporteerd door de Georgia Tech-onderzoekers maakt de productie mogelijk van nanobuisjes gemaakt van PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) met aspectverhoudingen tot 5 op 1.

“Deze techniek geeft ons een mate van controle over het driedimensionale proces dat we nog niet eerder hadden, ' zei Bassiri-Gharb. “Toen we de karakterisering deden, we zagen een grootte-effect dat tot nu toe alleen was waargenomen in dunne films van dit materiaal op veel grotere schaalschalen.

De ferro-elektrische nanobuisjes zijn vooral interessant omdat hun eigenschappen – waaronder grootte, vorm, optische reacties en diëlektrische eigenschappen - kunnen worden gecontroleerd door externe krachten, zelfs nadat ze zijn vervaardigd.

“Dit zijn echt slimme materialen, wat betekent dat ze reageren op externe prikkels zoals aangelegde elektrische velden, thermische velden of spanningsvelden, ' zei Bassiri-Gharb. “Je kunt ze afstemmen om zich anders te gedragen. Apparaten die van deze materialen zijn gemaakt, kunnen nauwkeurig worden afgesteld om te reageren op een andere golflengte of om tijdens bedrijf op een andere golflengte uit te zenden.”

Bijvoorbeeld, het piëzo-elektrische effect zou de fabricage van "nano-spier"-buizen mogelijk maken die zouden werken als kleine pompjes wanneer er een elektrisch veld op wordt toegepast. De velden kunnen ook worden gebruikt om de eigenschappen van fotonische kristallen af ​​te stemmen, of om structuren te creëren waarvan de grootte enigszins kan worden gewijzigd om elektromagnetische energie van verschillende golflengten te absorberen.

Bij het vervaardigen van de nanobuisjes, Bassiri-Gharb en afgestudeerde student Ashley Bernal (momenteel een assistent-professor aan het Rose-Hulman Institute of Technology) begonnen met een siliciumsubstraat en spin-coaten een negatief elektronenstraal-resistmateriaal erop. Er is een sjabloon gemaakt met behulp van elektronenstraallithografie, en daarbovenop werd een dunne laag aluminiumoxide toegevoegd met behulp van atomaire laagafzetting.

Volgende, de sjabloon werd onder vacuüm ondergedompeld in een ultrageluidbad dat een chemische voorloperoplossing voor PZT bevatte. De structuren werden gepyrolyseerd bij 300 graden Celsius, vervolgens uitgegloeid in een tweestaps warmtebehandelingsproces bij 600 en 800 graden Celsius om het materiaal te kristalliseren en het polymeersubstraat te ontleden. Het proces produceerde vrijstaande PZT-nanobuisjes verbonden door een dunne laag van het originele aluminiumoxide. Door de hoeveelheid chemische infiltratie te vergroten, kunnen vaste nanostaafjes of nanodraden worden gemaakt in plaats van holle nanobuisjes.

Hoewel de onderzoekers elektronenstraallithografie gebruikten om de sjabloon te maken waarop de structuren werden gekweekt, in principe, vele andere chemische, optische of mechanische patroontechnieken kunnen worden gebruikt voor het maken van de sjablonen, Bassiri-Gharb merkte op.

In onderzoeken die zijn uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers Sergei Kalinin en Alexander Tselev van het Center for Nanophase Materials Sciences van het Oak Ridge National Laboratory, de apparaten geproduceerd door het zachte sjabloonproces werden geanalyseerd met band-excitatie piëzoresponskrachtmicroscopie (BPFM). De techniek stelde onderzoekers in staat om eigenschappen van de AFM-tip te isoleren van die van het PZT-monster, waardoor analyse in voldoende detail mogelijk is om de piëzo-elektrische effecten op schaal te detecteren.

“Een van onze belangrijkste observaties is dat deze piëzo-elektrische nanomaterialen ons in staat stellen om een ​​factor vier tot zes toename van de extrinsieke piëzo-elektrische respons te genereren in vergelijking met het gebruik van dunne films, ' zei Baassiri-Gharb. "Dit zou een enorm voordeel zijn in termen van productie, omdat het betekent dat we dezelfde respons kunnen krijgen van veel kleinere structuren dan we anders hadden moeten gebruiken."