(PhysOrg.com) - Forskare har utvecklat en "mjuk mallinfiltreringsteknik" för att tillverka fristående piezoelektriskt aktiva ferroelektriska nanorör och andra nanostrukturer från PZT - ett material som är attraktivt på grund av dess stora piezoelektriska respons. Utvecklad vid Georgia Institute of Technology, tekniken tillåter tillverkning av ferroelektriska nanostrukturer med användardefinierade former, placering och mönstervariation över samma substrat.

De resulterande strukturerna, som är 100 till 200 nanometer i ytterdiameter med tjocklek från 5 till 25 nanometer, visar ett piezoelektriskt svar som är jämförbart med det för PZT-tunna filmer med mycket större dimensioner. Tekniken kan i slutändan leda till produktion av aktivt avstämbara fotoniska och fononiska kristaller, terahertz-sändare, energiskördare, mikromotorer, mikropumpar och nanoelektromekaniska sensorer, ställdon och givare – alla tillverkade av PZT-materialet.

Med hjälp av en ny karaktäriseringsteknik utvecklad vid Oak Ridge National Laboratory, forskarna gjorde för första gången mycket noggranna in-situ-mätningar av strukturernas piezoelektriska egenskaper i nanoskala.

"Vi använder en ny nanotillverkningsmetod för att skapa tredimensionella nanostrukturer med höga bildförhållanden i ferroelektriska material som har attraktiva piezoelektriska egenskaper, sade Nazanin Bassiri-Gharb, en biträdande professor vid Georgia Techs Woodruff School of Mechanical Engineering. "Vi utnyttjade också en ny karakteriseringsmetod tillgänglig genom Oak Ridge för att studera det piezoelektriska svaret hos dessa nanostrukturer på substratet där de producerades."

Forskningen publicerades online den 26 januari, 2012, och är planerad att publiceras i den tryckta upplagan (Vol. 24, Nummer 9) av tidskriften Avancerade material . Forskningen stöddes av Georgia Techs nya fakultetsstartfonder.

Ferroelektriska material på nanometerskala är lovande för ett brett spektrum av applikationer, men att bearbeta dem till användbara enheter har visat sig vara utmanande – trots framgång med att producera sådana enheter i mikrometerskala. Top-down tillverkningstekniker, såsom fokuserad jonstrålefräsning, möjliggör noggrann definition av enheter på nanometerskala, men processen kan inducera ytskador som försämrar de ferroelektriska och piezoelektriska egenskaperna som gör materialet intressant.

Tills nu, Bottom-up-tillverkningstekniker har inte kunnat producera strukturer med både höga bildförhållanden och exakt kontroll över platsen. Tekniken som rapporterats av Georgia Tech-forskarna tillåter produktion av nanorör gjorda av PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) med bildförhållande på upp till 5 till 1.

"Denna teknik ger oss en grad av kontroll över den tredimensionella processen som vi inte har haft tidigare, ” sa Bassiri-Gharb. "När vi gjorde karaktäriseringen, vi såg en storlekseffekt som hittills bara hade observerats i tunna filmer av detta material i mycket större skalor.”

De ferroelektriska nanorören är särskilt intressanta eftersom deras egenskaper – inklusive storlek, form, optiska svar och dielektriska egenskaper – kan styras av yttre krafter även efter att de har tillverkats.

"Det här är verkligen smarta material, vilket innebär att de reagerar på yttre stimuli som applicerade elektriska fält, termiska fält eller stressfält, ” sa Bassiri-Gharb. "Du kan ställa in dem att bete sig annorlunda. Enheter gjorda av dessa material kan finjusteras för att svara på en annan våglängd eller för att sända ut vid en annan våglängd under drift."

Till exempel, den piezoelektriska effekten skulle kunna tillåta tillverkning av "nanomuskel"-rör som skulle fungera som små pumpar när ett elektriskt fält appliceras på dem. Fälten kan också användas för att ställa in egenskaperna hos fotoniska kristaller, eller att skapa strukturer vars storlek kan ändras något för att absorbera elektromagnetisk energi av olika våglängder.

Vid tillverkningen av nanorören, Bassiri-Gharb och doktorand Ashley Bernal (för närvarande biträdande professor vid Rose-Hulman Institute of Technology) började med ett kiselsubstrat och spinnbelade ett negativt elektronstråleresistmaterial på det. En mall skapades med hjälp av elektronstrålelitografi, och ett tunt skikt av aluminiumoxid tillsattes ovanpå det med användning av atomskiktsavsättning.

Nästa, mallen nedsänktes under vakuum i ett ultraljudsbad innehållande en kemisk prekursorlösning för PZT. Strukturerna pyrolyserades vid 300 grader Celsius, glödgade sedan i en tvåstegs värmebehandlingsprocess vid 600 och 800 grader Celsius för att kristallisera materialet och sönderdela polymersubstratet. Processen producerade fristående PZT nanorör sammankopplade med ett tunt lager av den ursprungliga aluminiumoxiden. Att öka mängden kemisk infiltration möjliggör produktion av fasta nanorods eller nanotrådar istället för ihåliga nanorör.

Även om forskarna använde elektronstrålelitografi för att skapa mallen som strukturerna odlades på, i princip, många andra kemikalier, optiska eller mekaniska mönstringstekniker kan användas för att skapa mallarna, Bassiri-Gharb noterade.

I studier gjorda i samarbete med forskarna Sergei Kalinin och Alexander Tselev från Center for Nanophase Materials Sciences vid Oak Ridge National Laboratory, enheterna som producerats av den mjuka mallprocessen analyserades med bandexcitations-piezoresponskraftmikroskopi (BPFM). Tekniken gjorde det möjligt för forskare att isolera egenskaperna hos AFM-spetsen från de hos PZT-provet, möjliggör analys i tillräcklig detalj för att upptäcka de piezoelektriska effekterna i storleksskala.

"En av våra viktigaste observationer är att dessa piezoelektriska nanomaterial tillåter oss att generera en faktor på fyra till sex ökningar i den yttre piezoelektriska responsen jämfört med användningen av tunna filmer, ” sa Baassiri-Gharb. "Detta skulle vara en stor fördel när det gäller tillverkning eftersom det betyder att vi kan få samma respons från mycket mindre strukturer än vi annars skulle ha behövt använda."