Piezoelektriska material används för applikationer som sträcker sig från gnisttändaren i grillar till de givare som behövs för medicinsk ultraljudsavbildning. Tunnfilms piezoelektriker, med dimensioner på skalan av mikrometer eller mindre, erbjuda potential för nya applikationer där mindre dimensioner eller lägre spänning krävs.

Forskare vid Pennsylvania State University har visat en ny teknik för att göra piezoelektriska mikroelektromekaniska system (MEMS) genom att ansluta ett prov av blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektriska tunna filmer till flexibla polymersubstrat. Doktorand Tianning Liu och hennes medförfattare rapporterar sina resultat denna vecka i Journal of Applied Physics .

"Det finns en rik historia av arbete med piezoelektriska tunna filmer, men filmer på styva underlag har begränsningar som kommer från substratet, "sa Thomas N. Jackson, en professor vid Penn State och en av tidningens författare. "Detta arbete öppnar upp nya områden för tunnfilms piezoelektriker som minskar beroendet av substratet."

Forskarna odlade polykristallina PZT -tunna filmer på ett kiselsubstrat med ett zinkoxidfrisättningsskikt, till vilka de tillsatte ett tunt lager av polyimid. De använde sedan ättiksyra för att etsa bort zinkoxiden, släppa den 1 mikrometer tjocka PZT-filmen med polyimidskiktet från kiselsubstratet. PZT -filmen på polyimid är flexibel och har förbättrade materialegenskaper jämfört med filmerna som odlas på styva underlag.

Piezoelektriska enheter förlitar sig på vissa ämnen som PZTs förmåga att generera elektriska laddningar när de deformeras fysiskt, eller omvänt att deformeras när ett elektriskt fält appliceras på dem. Odling av högkvalitativa PZT-filmer, dock, kräver vanligtvis temperaturer över 650 grader Celsius, nästan 300 grader varmare än vad polyimid tål utan att försämra.

De flesta aktuella piezoelektriska apparapplikationer använder bulkmaterial, som hämmar miniatyrisering, utesluter betydande flexibilitet, och kräver högspänningsdrift.

"Till exempel, om du tittar på att sätta en ultraljudsgivare i en kateter, en PZT -film på ett polymersubstrat gör att du kan linda omvandlaren runt kateterns omkrets, "Sa Liu." Detta kan möjliggöra betydande miniatyrisering, och bör ge mer information till klinikern. "

Prestanda för många piezoelektriska tunna filmer har begränsats av substratspänning, ett fenomen där det styva substratet begränsar rörelsen för det piezoelektriska materialets domänväggar och försämrar dess egenskaper. Viss arbete har utförts vid kristallisering av PZT vid temperaturer som är kompatibla med polymera material, till exempel med laserkristallisation, men resultat har hittills lett till porösa tunna filmer och sämre materialegenskaper.

De släppta tunna filmerna på polyimid som forskarna utvecklade hade en 45 -procentig ökning av kvarstående polarisering över kiselsubstratkontroller, vilket indikerar en väsentlig minskning av substratklämning och förbättrad prestanda. Även då, Liu sa, mycket arbete återstår innan tunnfilms-MEMS-enheter kan konkurrera med bulkpiezoelektriska system.

"Det finns fortfarande ett stort gap mellan att lägga PZT på tunn film och bulk, "sa hon." Det är inte lika stort som mellan bulk och substrat, men det finns också saker som fler defekter som bidrar till lägre respons hos tunnfilmsmaterialen. "