Struttura a sbalzo iperattiva microlavorata che incorpora il materiale piezoresponse gigante PMN-PT. La risposta piezoelettrica gigante a bassa tensione induce il movimento meccanico (PMN-PT) del cantilever microlavorato. In senso antiorario da sinistra in alto:1) Struttura schematica dello strato che mostra la base di silicio, elettrodi metallici superiori e inferiori, e PMN-PT attivo. 2) Immagine al microscopio elettronico a scansione in falsi colori del cantilever completato. 3) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione che mostra la struttura a strati. 4) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione che mostra la perfetta disposizione atomica dello strato gigante piezorisposta PMN-PT e dell'elettrodo metallico inferiore SrRuO3.
(PhysOrg.com) -- Integrazione di un complesso, materiale monocristallino con proprietà piezoelettriche "giganti" su silicio, Gli ingegneri e i fisici dell'Università del Wisconsin-Madison possono fabbricare bassa tensione, dispositivi elettromeccanici su scala quasi nanometrica che potrebbero portare a miglioramenti nell'imaging 3D ad alta risoluzione, elaborazione del segnale, comunicazioni, raccolta di energia, rilevamento, e attuatori per dispositivi di nanoposizionamento, tra gli altri.
Guidato da Chang-Beom Eom, un professore UW-Madison di scienza dei materiali, ingegneria e fisica, il team multi-istituzionale ha pubblicato i suoi risultati il 18 novembre, numero della rivista Scienza . (Eom e i suoi studenti sono anche coautori di un altro articolo, "Dinamica di dominio durante la commutazione ferroelettrica, " pubblicato nello stesso numero.)
I materiali piezoelettrici utilizzano il movimento meccanico per generare un segnale elettrico, come la luce che lampeggia nei tacchi delle scarpe di alcuni bambini quando battono i piedi. Al contrario, i piezoelettrici possono anche utilizzare un segnale elettrico per generare movimento meccanico, ad esempio i materiali piezoelettrici vengono utilizzati per generare onde acustiche ad alta frequenza per l'imaging a ultrasuoni.
Eom studia il materiale piezoelettrico avanzato piombo magnesio niobato-titanato di piombo, o PMN-PT. Tali materiali mostrano una risposta piezoelettrica "gigante" che può fornire uno spostamento meccanico molto maggiore con la stessa quantità di campo elettrico dei materiali piezoelettrici tradizionali. Possono anche fungere sia da attuatori che da sensori. Per esempio, usano l'elettricità per fornire un'onda ultrasonica che penetra in profondità nel corpo e restituisce dati in grado di visualizzare un'immagine 3D di alta qualità.
Attualmente, una delle principali limitazioni di questi materiali avanzati è quella di incorporarli in dispositivi su scala molto piccola, i ricercatori iniziano con un materiale sfuso e macinano, tagliarlo e lucidarlo alla dimensione che desiderano. è un impreciso, processo soggetto a errori che è intrinsecamente poco adatto ai sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) o ai sistemi microelettromeccanici (MEMS).
Fino ad ora, la complessità del PMN-PT ha vanificato gli sforzi dei ricercatori per sviluppare semplici, tecniche di fabbricazione su microscala riproducibili.
Applicazione di tecniche di fabbricazione su microscala come quelle utilizzate nell'elettronica dei computer, La squadra di Eom ha superato quella barriera. Lui ei suoi colleghi hanno lavorato da zero per integrare perfettamente PMN-PT sul silicio. A causa delle potenziali reazioni chimiche tra i componenti, hanno stratificato i materiali e pianificato attentamente le posizioni dei singoli atomi. "Devi prima stabilire l'elemento giusto, "dice Eom.
Su una "piattaforma di silicio, " la sua squadra aggiunge uno strato molto sottile di titanato di stronzio, che funge da modello e imita la struttura del silicio. Segue uno strato di rutenato di stronzio, un elettrodo sviluppato da Eom alcuni anni fa, e infine, il materiale piezoelettrico monocristallo PMN-PT.
I ricercatori hanno caratterizzato la risposta piezoelettrica del materiale, che correla con le previsioni teoriche. "Le proprietà del singolo cristallo che abbiamo integrato sul silicio sono buone quanto il singolo cristallo sfuso, "dice Eom.
Il suo team chiama i dispositivi fabbricati da questo gigantesco materiale piezoelettrico "MEMS iperattivi" per il loro potenziale di offrire ai ricercatori un alto livello di controllo attivo. Utilizzando il materiale, il suo team ha anche sviluppato un processo per fabbricare MEMS piezoelettrici. Applicato nell'elaborazione del segnale, comunicazioni, attuatori per imaging medico e nanoposizionamento, i dispositivi MEMS iperattivi potrebbero ridurre il consumo di energia e aumentare la velocità dell'attuatore e la sensibilità del sensore. Inoltre, attraverso un processo chiamato raccolta di energia, i dispositivi MEMS iperattivi potrebbero convertire l'energia da fonti come le vibrazioni meccaniche in elettricità che alimenta altri piccoli dispositivi, ad esempio, per la comunicazione senza fili.
La National Science Foundation sta finanziando la ricerca attraverso un quadriennio, Sovvenzione NIRT da 1,35 milioni di dollari. Alla UW-Madison, i membri del team includono Lynn H. Matthias Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica Professore Robert Blick e Professore di Fisica Mark Rzchowski. Altri collaboratori includono persone del National Institute of Standards and Technology, Università statale della Pennsylvania, l'Università del Michigan, Laboratorio Nazionale Argonne, l'Università della California a Berkeley, e la Cornell University.
