Un progresso nella tecnologia di fabbricazione ha notevolmente migliorato la qualità del materiale e le prestazioni dei film sottili di un materiale "piezoelettrico" senza piombo. Questo sviluppo da parte dei ricercatori A*STAR promette di sbloccare un'alternativa senza piombo allo standard piombo-zircon-titanato (PZT).

I piezoelettrici sono materiali notevoli che si deformano all'applicazione di un campo elettrico e, al contrario, producono una corrente elettrica quando vengono compressi. Sono utilizzati in molte applicazioni elettroniche, anche come attuatori elettromeccanici e come sensori di deformazione e accelerazione. Film sottili di materiali piezoelettrici vengono anche integrati in circuiti e dispositivi di sistemi microelettromeccanici (MEMS).

Per decenni, Il PZT era il materiale piezoelettrico preferito, poiché offriva il grado di deformazione o sensibilità necessario per applicazioni pratiche. Però, Il PZT contiene il 60% di piombo, un metallo tossico, che sebbene una volta comunemente usato in elettronica, è stato bandito.

Un materiale alternativo, che si basa su una composizione di potassio-sodio-niobato ed è noto come KNN, viene utilizzato in sostituzione di PZT in molte applicazioni di massa. Tuttavia, i film sottili di KNN sono problematici perché sono soggetti a una rottura del controllo della composizione e dell'ordinamento atomico necessario per produrre l'effetto piezoelettrico.

Ora, Kui Yao e colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, in collaborazione con ricercatori della National University of Singapore, hanno dimostrato che un metodo di fabbricazione basato su soluzioni che utilizza un cocktail accuratamente formulato di agenti chimici può produrre film sottili di KNN con prestazioni piezoelettriche paragonabili a PZT.

"È stato difficile ottenere eccellenti proprietà piezoelettriche nei film sottili basati su KNN perché le condizioni di fase necessarie per l'effetto piezoelettrico dipendono in modo molto sensibile dalla composizione, " spiega Yao. "In KNN, è stato difficile sopprimere la perdita di elementi volatili necessari per queste condizioni".

Yao e il suo team hanno superato questo problema aggiungendo una miscela di agenti stabilizzanti chimici, perfezionata in oltre dieci anni di ricerca, alla soluzione precursore utilizzata per preparare i film sottili KNN. Le interazioni tra gli ioni alcalini volatili in soluzione e l'agente stabilizzante hanno soppresso la volatilizzazione, permettendo di controllare bene le composizioni dei film risultanti.

"Con la composizione del film sotto controllo, siamo stati in grado di studiare le transizioni di fase nel materiale e la loro dipendenza dalla composizione chimica e dallo stress nei film sottili a base di KNN, " dice Yao.

Attraverso misurazioni laser combinate con analisi teoriche da simulazioni di principi primi, il team ha confermato che le prestazioni dei loro film piezoelettrici li rendono una valida alternativa senza piombo al PZT.