I materiali piezoelettrici sono utilizzati per applicazioni che vanno dall'accenditore a scintilla nelle griglie del barbecue ai trasduttori necessari per l'imaging medico ad ultrasuoni. piezoelettrici a film sottile, con dimensioni della scala dei micrometri o inferiori, offrono potenziale per nuove applicazioni in cui sono richieste dimensioni più piccole o un funzionamento a tensione inferiore.

I ricercatori della Pennsylvania State University hanno dimostrato una nuova tecnica per realizzare sistemi microelettromeccanici piezoelettrici (MEMS) collegando un campione di film sottili piezoelettrici di titanato di zirconato di piombo (PZT) a substrati polimerici flessibili. La dottoranda Tianning Liu e i suoi coautori riportano i loro risultati questa settimana nel Rivista di fisica applicata .

"C'è una ricca storia di lavoro sui film sottili piezoelettrici, ma i film su substrati rigidi hanno limitazioni che derivano dal substrato, " ha detto Thomas N. Jackson, un professore alla Penn State e uno degli autori dell'articolo. "Questo lavoro apre nuove aree per i piezoelettrici a film sottile che riducono la dipendenza dal substrato".

I ricercatori hanno coltivato film sottili di PZT policristallino su un substrato di silicio con uno strato di rilascio di ossido di zinco, a cui hanno aggiunto un sottile strato di poliimmide. Hanno quindi usato l'acido acetico per asportare l'ossido di zinco, rilasciando il film PZT spesso 1 micrometro con lo strato di poliimmide dal substrato di silicio. Il film PZT su poliimmide è flessibile pur possedendo proprietà del materiale migliorate rispetto ai film cresciuti su substrati rigidi.

I dispositivi piezoelettrici si basano sulla capacità di alcune sostanze come il PZT di generare cariche elettriche quando deformate fisicamente, o inversamente a deformarsi quando viene loro applicato un campo elettrico. Pellicole PZT in crescita di alta qualità, però, in genere richiede temperature superiori a 650 gradi Celsius, quasi 300 gradi più caldo di quello che la poliimmide è in grado di sopportare senza degradarsi.

La maggior parte delle attuali applicazioni di dispositivi piezoelettrici utilizza materiali sfusi, che ostacola la miniaturizzazione, preclude una flessibilità significativa, e richiede il funzionamento ad alta tensione.

"Per esempio, se stai cercando di inserire un trasduttore a ultrasuoni in un catetere, un film PZT su un substrato polimerico permetterebbe di avvolgere il trasduttore attorno alla circonferenza del catetere, " Liu ha detto. "Questo potrebbe consentire una significativa miniaturizzazione, e dovrebbe fornire maggiori informazioni per il clinico."

Le prestazioni di molti film sottili piezoelettrici sono state limitate dal bloccaggio del substrato, un fenomeno in cui il substrato rigido vincola il movimento delle pareti del dominio del materiale piezoelettrico e ne degrada le proprietà. Alcuni lavori sono stati fatti cristallizzando il PZT a temperature compatibili con i materiali polimerici, ad esempio utilizzando la cristallizzazione laser, ma i risultati finora hanno portato a film sottili porosi e proprietà dei materiali inferiori.

I film sottili rilasciati su poliimmide sviluppati dai ricercatori hanno avuto un aumento del 45% della polarizzazione residua rispetto ai controlli del substrato di silicio, indicando una sostanziale mitigazione nel bloccaggio del substrato e prestazioni migliorate. Anche allora, Liu ha detto, molto lavoro rimane prima che i dispositivi MEMS a film sottile possano competere con i sistemi piezoelettrici di massa.

"C'è ancora un grande divario tra l'applicazione di PZT su film sottile e bulk, " ha detto. "Non è grande come tra massa e substrato, ma ci sono anche cose come più difetti che contribuiscono alla minore risposta dei materiali a film sottile".