Mikrobearbetad hyperaktiv fribärande struktur som innehåller det gigantiska piezoresponsmaterialet PMN-PT. Jätte piezoelektrisk lågspänningsrespons inducerar mekanisk rörelse av (PMN-PT) den mikrobearbetade fribäraren. Moturs från övre vänster:1) Schematisk lagerstruktur som visar kiselbasen, metalliska topp- och bottenelektroder, och aktiv PMN-PT. 2) Falsk färg scanning elektronmikroskop bild av färdig cantilever. 3) Transmissionselektronmikroskopbild som visar lagerstruktur. 4) Högupplöst transmissionselektronmikroskopbild som visar perfekt atomarrangemang av det jättelika piezoresponsen PMN-PT-skiktet och den nedre metalliska elektroden SrRuO3.
(PhysOrg.com) -- Att integrera ett komplex, enkristallmaterial med "gigantiska" piezoelektriska egenskaper på kisel, University of Wisconsin-Madison ingenjörer och fysiker kan tillverka lågspänning, elektromekaniska enheter i nästan nanoskala som kan leda till förbättringar av högupplöst 3D-bildbehandling, signalbehandling, kommunikation, energiskörd, avkänning, och ställdon för nanopositioneringsanordningar, bland andra.
Leds av Chang-Beom Eom, en UW-Madison professor i materialvetenskap och teknik och fysik, det multiinstitutionella teamet publicerade sina resultat den 18 november, nummer av tidskriften Vetenskap . (Eom och hans elever är också medförfattare på ett annat papper, "Domändynamik under ferroelektrisk omkoppling, " publicerad i samma nummer.)
Piezoelektriska material använder mekanisk rörelse för att generera en elektrisk signal, som till exempel ljuset som blinkar i vissa barns skoklackar när de stampar med fötterna. Omvänt, piezoelektrik kan också använda en elektrisk signal för att generera mekanisk rörelse - till exempel, piezoelektriska material används för att generera högfrekventa akustiska vågor för ultraljudsavbildning.
Eom studerar det avancerade piezoelektriska materialet blymagnesiumniobat-blytitanat, eller PMN-PT. Sådana material uppvisar en "gigantisk" piezoelektrisk respons som kan leverera mycket större mekanisk förskjutning med samma mängd elektriskt fält som traditionella piezoelektriska material. De kan också fungera som både ställdon och sensorer. Till exempel, de använder elektricitet för att leverera en ultraljudsvåg som tränger djupt in i kroppen och returnerar data som kan visa en högkvalitativ 3D-bild.
För närvarande, en stor begränsning av dessa avancerade material är att införliva dem i mycket småskaliga enheter, forskare börjar med ett bulkmaterial och maler, klippa och polera till den storlek de önskar. Det är en oprecis, felbenägen process som i sig är olämplig för nanoelektromekaniska system (NEMS) eller mikroelektromekaniska system (MEMS).
Tills nu, komplexiteten i PMN-PT har omintetgjort forskarnas ansträngningar att utveckla enkla, reproducerbara tillverkningstekniker i mikroskala.
Tillämpa mikroskala tillverkningstekniker som de som används inom datorelektronik, Eoms team har övervunnit den barriären. Han och hans kollegor arbetade från grunden för att integrera PMN-PT sömlöst på kisel. På grund av potentiella kemiska reaktioner mellan komponenterna, de skiktade material och planerade noggrant var de enskilda atomerna fanns. "Du måste lägga ner rätt element först, säger Eom.
På en kiselplattform, "hans team lägger till ett mycket tunt lager strontiumtitanat, som fungerar som en mall och efterliknar kiselstrukturen. Därefter kommer ett lager strontiumrutenat, en elektrod Eom utvecklade för några år sedan, och slutligen, det piezoelektriska enkristallmaterialet PMN-PT.
Forskarna har karakteriserat materialets piezoelektriska respons, som korrelerar med teoretiska förutsägelser. "Egenskaperna hos den enkristall vi integrerade på kisel är lika bra som den bulk enkristallen, säger Eom.
Hans team kallar enheter tillverkade av detta gigantiska piezoelektriska material "hyperaktiva MEMS" för deras potential att erbjuda forskare en hög nivå av aktiv kontroll. Med hjälp av materialet, hans team utvecklade också en process för att tillverka piezoelektriska MEMS. Tillämpas i signalbehandling, kommunikation, medicinsk bildbehandling och nanopositionerande ställdon, hyperaktiva MEMS-enheter kan minska strömförbrukningen och öka ställdonets hastighet och sensorkänslighet. Dessutom, genom en process som kallas energiskörd, hyperaktiva MEMS-enheter kan omvandla energi från källor som mekaniska vibrationer till elektricitet som driver andra små enheter – till exempel, för trådlös kommunikation.
National Science Foundation finansierar forskningen via en fyraårig, NIRT-anslag på 1,35 miljoner dollar. På UW-Madison, Teammedlemmar inkluderar Lynn H. Matthias professor i elektro- och datateknik professor Robert Blick och fysikprofessor Mark Rzchowski. Andra samarbetspartners inkluderar personer vid National Institute of Standards and Technology, Pennsylvania State University, University of Michigan, Argonne National Laboratory, University of California i Berkeley, och Cornell University.
