Eerste grootschalige 2-D oppervlaktedepositie ooit van piëzo-elektrisch materiaal—Eenvoudig, goedkope techniek opent nieuwe velden voor piëzo-sensoren &energie oogsten

Onderzoekers hebben een revolutionaire methode ontwikkeld om grootschalige platen van tweedimensionaal piëzo-elektrisch materiaal te 'printen', nieuwe mogelijkheden openen voor piëzo-sensoren en het oogsten van energie.

belangrijk, het goedkope proces maakt de integratie van piëzo-elektrische componenten rechtstreeks op siliciumchips mogelijk.

Tot nu, er is geen 2D piëzo-elektrisch materiaal in grote platen vervaardigd, waardoor het onmogelijk is om te integreren in siliciumchips of te gebruiken in grootschalige oppervlakteproductie.

Deze beperking betekende dat apparaten voor piëzo-versnellingsmeters, zoals triggers voor airbags in voertuigen of apparaten die oriëntatieveranderingen in mobiele telefoons herkennen, aparte, dure componenten die op siliciumsubstraten moeten worden ingebed, het toevoegen van aanzienlijke productiekosten.

Nutsvoorzieningen, FLEET-onderzoekers van de RMIT University in Melbourne hebben een methode gedemonstreerd om grootschalige 2-D galliumfosfaatplaten te produceren, waardoor dit materiaal op grote schaal tegen lage kosten kan worden gevormd, fabricageprocessen bij lage temperaturen op siliciumsubstraten, of een ander oppervlak.

Galliumfosfaat (GaPO ₄ ) is een belangrijk piëzo-elektrisch materiaal dat veel wordt gebruikt in druksensoren en massametingen op microgramschaal, vooral bij hoge temperaturen of andere ruwe omgevingen.

"Zoals zo vaak in de wetenschap, dit werk bouwt voort op eerdere successen, " hoofdonderzoeker professor Kourosh Kalantar-zadeh legt uit. "We hebben de vloeibaar-metaal-materiaaldepositietechniek toegepast die we onlangs hebben ontwikkeld om 2D-films van GaPO te maken ₄ via een gemakkelijke, proces in twee stappen."

Professor Kalantar-zadeh, nu hoogleraar Chemical Engineering aan de UNSW, leidde het team dat de nieuwe methode ontwikkelde terwijl hij hoogleraar Electronic Engineering was aan de RMIT University. Het werk is tot stand gekomen dankzij de belangrijke bijdrage van Dr. Torben Daeneke van RMIT en de extreme volharding en focus van de eerste auteur van het werk, doctoraat onderzoeker Nitu Syed.

De revolutionaire nieuwe methode maakt eenvoudig, goedkope groei van grote oppervlakten (enkele centimeters), brede bandgap, 2-D GaPO ₄ nanosheets van eenheidsceldikte.

Het is de eerste demonstratie van sterke, out-of-plane piëzo-elektriciteit van het populaire piëzo-elektrische materiaal.

Het proces in twee stappen

1. Exfolieer zelfbeperkend galliumoxide van het oppervlak van vloeibaar gallium, mogelijk gemaakt door het gebrek aan affiniteit tussen oxide en het grootste deel van het vloeibare metaal
2. 'Print' die film op een substraat en transformeer het in 2D GaPO ₄ via blootstelling aan fosfaatdamp.

Toepassingen

Het nieuwe proces is eenvoudig, schaalbaar, lage temperatuur en kostenbesparend, een aanzienlijke uitbreiding van het scala aan materialen dat voor de industrie beschikbaar is op dergelijke schaal en kwaliteit.

Het proces is geschikt voor de synthese van vrijstaande GaPO ₄ nanobladen. De synthesemethode bij lage temperatuur is compatibel met een verscheidenheid aan fabricageprocedures voor elektronische apparaten, het bieden van een route voor de ontwikkeling van toekomstige 2-D piëzo-elektrische materialen.

Deze eenvoudige, industrie-compatibele procedure om 2D piëzo-elektrische films met een groot oppervlak op elk substraat te printen, biedt enorme kansen voor de ontwikkeling van piëzo-sensoren en energieoogstmachines.

Piëzo-elektrische materialen

Dit zijn materialen die uitgeoefende mechanische kracht of spanning kunnen omzetten in elektrische energie. Dergelijke materialen vormen de basis van geluids- en druksensoren, ingebedde apparaten die worden aangedreven door trillingen of buigen, en zelfs de eenvoudige 'piëzo'-aansteker die wordt gebruikt voor gasbarbecues en kookplaten.

Piëzo-elektrische materialen kunnen ook profiteren van de kleine spanningen die worden gegenereerd door een kleine mechanische verplaatsing, trillingen, buigen of strekken om geminiaturiseerde apparaten aan te drijven.

Het materiaal:Galliumfosfaat (GaPO ₄ )

Galliumfosfaat is een kwartsachtig kristal dat sinds eind jaren tachtig wordt gebruikt in piëzo-elektrische toepassingen zoals druksensoren, en bijzonder gewaardeerd in toepassingen bij hoge temperaturen. Omdat het niet van nature kristalliseert in een gelaagde structuur en daarom niet kan worden geëxfolieerd met conventionele methoden, het gebruik ervan is tot nu toe beperkt tot toepassingen die afhankelijk zijn van het uitsnijden van het kristal uit zijn bulk.