Forskare vid Department of Materials Science and Engineering och Materials Research Institute i Penn State är en del av ett multidisciplinärt team av forskare från universitet och nationella laboratorier över hela USA som har tillverkat piezoelektriska tunna filmer med rekordegenskaper. Dessa konstruerade filmer har stor potential för energihanteringsapplikationer, såväl som i mikro-elektromekaniska system (MEMS), mikro ställdon, och sensorer för en mängd olika miniatyriserade system, såsom ultraljud, mikrofluidik, och mekanisk avkänning.

Piezoelektriska material kan omvandla elektrisk energi till mekanisk energi och vice versa. De flesta MEMS använder kisel, standardmaterialet för halvledarelektronik, som substrat. Att integrera piezoelektriska tunna filmer på kiselbaserade MEMS-enheter med dimensioner från mikrometer till några millimeter i storlek kommer att lägga till en aktiv komponent som kan dra fördel av rörelse, som ett fotsteg eller en vibrerande motor, att generera elektrisk ström, eller använd en liten applicerad spänning för att skapa mikronivårörelse, som att fokusera en digitalkamera.

Tidigare, de bästa piezoelektriska MEMS -enheterna gjordes med lager av kisel- och blyzirkoniumtitanatfilmer (PZT). Nyligen, ett team under ledning av Chang-Beom Eom vid University of Wisconsin-Madison syntetiserade en tunn magnesiumfilm av niobat-blytitanat (PMN-PT) som är integrerad på ett kiselsubstrat.

Penn State-laget, ledd av Susan Trolier-McKinstry, professor i keramisk vetenskap och teknik, och inklusive forskningsassistent Srowthi Bharadwaja, Doktorsexamen, mätte den elektriska och piezoelektriska prestandan för de tunna filmerna och jämförde PMN-PT-filmerna mot de rapporterade värdena för andra mikrobearbetade ställdonmaterial för att visa potentialen hos PMN-PT för ställdon och energiskördstillämpningar.

I en ny artikel i Science, teamet rapporterade de högsta värdena för piezoelektriska egenskaper för någon piezoelektrisk tunnfilm hittills, och en tvåfaldigt högre merit än de bäst rapporterade PZT-filmerna för energiskördstillämpningar. Denna ökning av den effektiva piezoelektriska aktiviteten i en tunn film kommer att resultera i en dramatisk förbättring av prestanda. Till exempel, energiskörd med hjälp av sådana tunna filmer kommer att tillhandahålla lokala kraftkällor för trådlösa sensornoder för broar, flygplan, och potentiellt för människokroppssensorer.

Tillsammans med forskarna från Penn State och UW-Madison, de deltagande institutionerna inkluderade National Institute of Standards and Technology (NIST), Michigans universitet, University of California, Berkeley, Cornell University, och Argonne National Laboratory. Pappret, med titeln "Giant Piezoelectricity on Si for Hyperactive MEMS, ” dök upp i numret 18 november av Vetenskap . Arbetet på Penn State stöddes av ett stipendium för National Security Science and Engineering Faculty. Annat stöd gavs av National Science Foundation, energidepartementet, flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning, och ett David Lucile Packard Fellowship.