Ett framsteg inom tillverkningsteknologin har avsevärt förbättrat materialkvaliteten och prestandan hos tunna filmer av blyfritt "piezoelektriskt" material. Denna utveckling av A*STAR-forskare lovar att låsa upp ett blyfritt alternativ till bly-zirkon-titanat-standarden (PZT).

Piezoelektrik är anmärkningsvärda material som deformeras vid applicering av ett elektriskt fält och, omvänt, producera en elektrisk ström när den komprimeras. De används i många elektroniktillämpningar, inklusive som elektromekaniska ställdon och som sensorer för töjning och acceleration. Tunna filmer av piezoelektriska material integreras också i kretsar och enheter för mikroelektromekaniska system (MEMS).

I årtionden, PZT var det piezoelektriska materialet som valdes, eftersom det erbjöd den grad av deformation eller känslighet som behövs för praktiska tillämpningar. Dock, PZT innehåller 60 procent bly - en giftig metall, som även om det en gång användes inom elektronik, har förbjudits.

Ett alternativt material, som är baserad på en kalium-natrium-niobatkomposition och är känd som KNN, används som en ersättning för PZT i många bulkapplikationer. Ändå är tunna filmer av KNN problematiska eftersom de är föremål för ett sammanbrott av kompositionskontrollen och den atomära ordning som behövs för att producera den piezoelektriska effekten.

Nu, Kui Yao och kollegor från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, i samarbete med forskare från National University of Singapore, har visat att en lösningsbaserad tillverkningsmetod som använder en noggrant formulerad cocktail av kemiska medel kan producera tunna filmer av KNN med en piezoelektrisk prestanda jämförbar med PZT.

"Det har varit utmanande att uppnå utmärkta piezoelektriska egenskaper i KNN-baserade tunna filmer eftersom fasförhållandena som behövs för den piezoelektriska effekten beror mycket känsligt på sammansättningen, " förklarar Yao. "I KNN, det har varit svårt att undertrycka förlusten av flyktiga ämnen som behövs för dessa förhållanden."

Yao och hans team övervann detta problem genom att lägga till en blandning av kemiska stabiliseringsmedel – förfinade under mer än tio års forskning – till prekursorlösningen som användes för att förbereda KNN-tunna filmer. Interaktionerna mellan de flyktiga alkalijonerna i lösning och stabiliseringsmedlet undertryckte förångning, vilket gör att kompositionerna av de resulterande filmerna kan kontrolleras väl.

"Med filmkompositionen under kontroll, vi kunde studera fasövergångarna i materialet och deras beroende av den kemiska sammansättningen och stressen i de KNN-baserade tunna filmerna, säger Yao.

Genom lasermätningar kombinerat med teoretisk analys från simuleringar av första principer, teamet bekräftade att prestandan hos deras piezoelektriska filmer gör dem till ett lönsamt blyfritt alternativ till PZT.