Första någonsin storskalig 2D ytdeponering av piezoelektriskt material – enkelt, billig teknik öppnar nya fält för piezosensorer och energiskörd

Forskare har utvecklat en revolutionerande metod för att "skriva ut" storskaliga ark av tvådimensionellt piezoelektriskt material, öppnar nya möjligheter för piezosensorer och energiskörd.

Viktigt, den billiga processen tillåter integrering av piezoelektriska komponenter direkt på kiselchips.

Tills nu, inget 2D piezoelektriskt material har tillverkats i stora ark, gör det omöjligt att integrera i kiselchips eller använda i storskalig yttillverkning.

Denna begränsning innebar att piezoaccelerometerenheter – som utlösare av krockkudde i fordon eller enheter som känner igen orienteringsförändringar i mobiltelefoner – har krävt separata, dyra komponenter som ska bäddas in på silikonsubstrat, tillför betydande tillverkningskostnader.

Nu, FLEET-forskare vid RMIT University i Melbourne har visat en metod för att producera storskaliga 2-D galliumfosfatskivor, gör att detta material kan formas i stor skala till låg kostnad, lågtemperaturtillverkningsprocesser på kiselsubstrat, eller någon annan yta.

Galliumfosfat (GaPO ₄ ) är ett viktigt piezoelektriskt material som vanligtvis används i trycksensorer och massmätning i mikrogramskala, särskilt i höga temperaturer eller andra tuffa miljöer.

"Som så ofta inom vetenskapen, detta arbete bygger på tidigare framgångar, ", förklarar den ledande forskaren professor Kourosh Kalantar-zadeh. "Vi anammade tekniken för deponering av flytande metallmaterial som vi nyligen utvecklade för att skapa 2D-filmer av GaPO ₄ genom en lätt, tvåstegsprocess."

Professor Kalantar-zadeh, nu professor i kemiteknik vid UNSW, ledde teamet som utvecklade den nya metoden samtidigt som professor i elektronikteknik vid RMIT University. Verket materialiserades som ett resultat av betydande bidrag från RMITs Dr. Torben Daeneke och extrem uthållighet och fokus som visades av den första författaren till verket, Ph.D. forskaren Nitu Syed.

Den revolutionerande nya metoden möjliggör enkel, billig tillväxt av stor yta (flera centimeter), brett bandgap, 2-D GaPO ₄ nanoark av enhetscelltjocklek.

Det är den första demonstrationen av starka, piezoelektricitet utanför planet av det populära piezoelektriska materialet.

Tvåstegsprocessen

1. Exfoliera självbegränsande galliumoxid från ytan av flytande gallium möjliggjort av bristen på affinitet mellan oxid och huvuddelen av den flytande metallen
2. "Skriv ut" den filmen på ett substrat och omvandla den till 2D GaPO ₄ genom exponering för fosfatånga.

Ansökningar

Den nya processen är enkel, skalbar, låg temperatur och kostnadseffektiv, avsevärt utöka utbudet av material som är tillgängliga för industrin i sådan skala och kvalitet.

Processen är lämplig för syntes av fristående GaPO ₄ nanoark. Lågtemperatursyntesmetoden är kompatibel med en mängd olika tillverkningsprocedurer för elektroniska enheter, tillhandahålla en väg för utveckling av framtida 2D piezoelektriska material.

Detta enkla, Branschkompatibel procedur för att skriva ut 2-D piezoelektriska filmer med stor yta på vilket substrat som helst erbjuder enorma möjligheter för utveckling av piezosensorer och energiskördare.

Piezoelektriska material

Dessa är material som kan omvandla applicerad mekanisk kraft eller spänning till elektrisk energi. Sådana material utgör grunden för ljud- och trycksensorer, inbyggda enheter som drivs av vibrationer eller böjning, och även den enkla "piezo"-tändaren som används för gasgrillar och spishällar.

Piezoelektriska material kan också dra fördel av de små spänningar som genereras av små mekaniska förskjutningar, vibration, böjning eller sträckning för att driva miniatyriserade enheter.

Materialet:Galliumfosfat (GaPO ₄ )

Galliumfosfat är en kvartsliknande kristall som används i piezoelektriska applikationer som trycksensorer sedan slutet av 1980-talet, och särskilt värderad i högtemperaturapplikationer. Eftersom det inte naturligt kristalliseras i en stratifierad struktur och därför inte kan exfolieras med konventionella metoder, dess användning har hittills varit begränsad till applikationer som är beroende av att skära ut kristallen från dess bulk.