MIT-forskare har utvecklat en enkel, lågkostnadsmetod för 3D-utskrift av ultratunna filmer med högpresterande "piezoelektriska" egenskaper, som skulle kunna användas för komponenter i flexibel elektronik eller högkänsliga biosensorer.

Piezoelektriska material producerar en spänning som svar på fysisk belastning, och de reagerar på en spänning genom att fysiskt deformeras. De används ofta för givare, som omvandlar energi av en form till en annan. Robotaktuatorer, till exempel, använda piezoelektriska material för att flytta leder och delar som svar på en elektrisk signal. Och olika sensorer använder materialen för att omvandla tryckförändringar, temperatur, tvinga, och andra fysiska stimuli, till en mätbar elektrisk signal.

Forskare har i flera år försökt utveckla piezoelektriska ultratunna filmer som kan användas som energiskördare, känsliga trycksensorer för pekskärmar, och andra komponenter inom flexibel elektronik. Filmerna kan också användas som små biosensorer som är tillräckligt känsliga för att upptäcka närvaron av molekyler som är biomarkörer för vissa sjukdomar och tillstånd.

Det valda materialet för dessa applikationer är ofta en typ av keramik med en kristallstruktur som ger resonans vid höga frekvenser på grund av dess extrema tunnhet. (Högre frekvenser översätts i princip till högre hastigheter och högre känslighet.) Men, med traditionell tillverkningsteknik, att skapa keramiska ultratunna filmer är en komplex och dyr process.

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Tillämpade material och gränssnitt , MIT-forskarna beskriver ett sätt att 3D-skriva ut keramiska givare som är cirka 100 nanometer tunna genom att anpassa en additiv tillverkningsteknik för processen som bygger objekt lager för lager, vid rumstemperatur. Filmerna kan tryckas i flexibla substrat utan prestandaförlust, och kan resonera vid cirka 5 gigahertz, vilket är tillräckligt högt för högpresterande biosensorer.

"Att tillverka transducerande komponenter är hjärtat av den tekniska revolutionen, " säger Luis Fernando Velaśquez-García, en forskare vid Microsystems Technology Laboratories (MTL) vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap. "Tills nu, man har trott att 3D-tryckta transducerande material kommer att ha dåliga prestanda. Men vi har utvecklat en additiv tillverkningsmetod för piezoelektriska givare vid rumstemperatur, och materialen svänger vid gigahertz-nivåfrekvenser, som är storleksordningar högre än något som tidigare tillverkats genom 3D-utskrift."

Första författaren Brenda García-Farrera från MTL och Monterrey Institute of Technology and Higher Education i Mexiko ansluter sig till Velaśquez-García på tidningen.

Elektrosprayande nanopartiklar

Keramiska piezoelektriska tunna filmer, gjord av aluminiumnitrid eller zinkoxid, kan tillverkas genom fysisk ångdeponering och kemisk ångdeposition. Men dessa processer måste slutföras i sterila rena rum, under höga temperaturer och höga vakuumförhållanden. Det kan vara tidskrävande, dyr process.

Det finns billigare 3D-tryckta piezoelektriska tunna filmer tillgängliga. Men de är tillverkade av polymerer, som måste vara "polade" - vilket betyder att de måste ges piezoelektriska egenskaper efter att de har skrivits ut. Dessutom, dessa material blir vanligtvis tiotals mikrometer tjocka och kan därför inte göras till ultratunna filmer som kan aktiveras med hög frekvens.

Forskarnas system anpassar en additiv tillverkningsteknik, kallad närfältselektrohydrodynamisk deposition (NFEHD), som använder höga elektriska fält för att spruta ut en vätskestråle genom ett munstycke för att skriva ut en ultratunn film. Tills nu, tekniken har inte använts för att trycka filmer med piezoelektriska egenskaper.

Forskarnas flytande råmaterial - råmaterial som används i 3D-utskrift - innehåller zinkoxidnanopartiklar blandade med några inerta lösningsmedel, som formas till ett piezoelektriskt material när det trycks på ett substrat och torkas. Materialet matas genom en ihålig nål i en 3D-skrivare. När den skrivs ut, forskarna applicerar en specifik förspänning på spetsen av nålen och styr flödeshastigheten, vilket gör att menisken – kurvan som ses på toppen av en vätska – formas till en konform som skjuter ut en fin stråle från spetsen.

Strålen är naturligt benägen att bryta ner i droppar. Men när forskarna för nålspetsen nära substratet - ungefär en millimeter - bryts inte strålen isär. Den processen är lång, smala linjer på ett substrat. De överlappar sedan linjerna och torkar dem vid cirka 76 grader Fahrenheit, hänger upp och ner.

Att skriva ut filmen exakt på det sättet skapar en ultratunn film av kristallstruktur med piezoelektriska egenskaper som resonerar vid cirka 5 gigahertz. "Om något av den processen saknas, det fungerar inte, " säger Velaśquez-García.

Med hjälp av mikroskopitekniker, teamet kunde bevisa att filmerna har en mycket starkare piezoelektrisk respons – vilket betyder den mätbara signalen den avger – än filmer gjorda med traditionella bulktillverkningsmetoder. Dessa metoder styr inte riktigt filmens piezoelektriska axelriktning, som avgör materialets respons. "Det var lite överraskande, " säger Velaśquez-García. "I dessa bulkmaterial, de kan ha ineffektivitet i strukturen som påverkar prestandan. Men när du kan manipulera material i nanoskala, du får en starkare piezoelektrisk respons."

Lågkostnadssensorer

Eftersom de piezoelektriska ultratunna filmerna är 3D-tryckta och resonerar vid mycket höga frekvenser, de kan utnyttjas för att tillverka låg kostnad, mycket känsliga sensorer. Forskarna arbetar för närvarande med kollegor i Monterrey Tec som en del av ett samarbetsprogram inom nanovetenskap och nanoteknik, att göra piezoelektriska biosensorer för att upptäcka biomarkörer för vissa sjukdomar och tillstånd.

En resonanskrets är integrerad i dessa biosensorer, som får den piezoelektriska ultratunna filmen att svänga vid en specifik frekvens, och det piezoelektriska materialet kan funktionaliseras för att attrahera vissa molekylbiomarkörer till dess yta. När molekylerna fastnar på ytan, det får det piezoelektriska materialet att något förskjuta kretsens frekvenssvängningar. Den lilla frekvensförskjutningen kan mätas och korreleras till en viss mängd av molekylen som hopar sig på dess yta.

Forskarna utvecklar också en sensor för att mäta sönderfallet av elektroder i bränsleceller. Det skulle fungera på samma sätt som biosensorn, men skiftningarna i frekvens skulle korrelera med nedbrytningen av en viss legering i elektroderna. "Vi tillverkar sensorer som kan diagnostisera hälsan hos bränsleceller, för att se om de behöver bytas ut, " säger Velaśquez-García. "Om du bedömer hälsan hos dessa system i realtid, du kan fatta beslut om när du ska byta ut dem, innan något allvarligt händer."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.