I ricercatori del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e del Materials Research Institute di Penn State fanno parte di un team multidisciplinare di ricercatori di università e laboratori nazionali degli Stati Uniti che hanno fabbricato film sottili piezoelettrici con proprietà da record. Questi film ingegnerizzati hanno un grande potenziale per applicazioni di raccolta di energia, così come nei sistemi microelettromeccanici (MEMS), micro attuatori, e sensori per una varietà di sistemi miniaturizzati, come l'ecografia, microfluidica, e rilevamento meccanico.

I materiali piezoelettrici possono trasformare l'energia elettrica in energia meccanica e viceversa. La maggior parte dei MEMS utilizza silicio, il materiale standard per l'elettronica dei semiconduttori, come substrato. L'integrazione di film sottili piezoelettrici su dispositivi MEMS a base di silicio con dimensioni da micrometri a pochi millimetri aggiungerà un componente attivo che può sfruttare il movimento, come un passo o un motore vibrante, generare corrente elettrica, o utilizzare una piccola tensione applicata per creare un movimento a livello di micron, come nel mettere a fuoco una fotocamera digitale.

In precedenza, i migliori dispositivi MEMS piezoelettrici sono stati realizzati con strati di silicio e film di titanato di zirconio e piombo (PZT). Recentemente, un team guidato da Chang-Beom Eom dell'Università del Wisconsin-Madison ha sintetizzato un film sottile di piombo magnesio niobato-titanato di piombo (PMN-PT) integrato su un substrato di silicio.

La squadra di Penn State, guidato da Susan Trolier-McKinstry, professore di scienza e ingegneria della ceramica, e incluso il ricercatore associato Srowthi Bharadwaja, dottorato di ricerca, ha misurato le prestazioni elettriche e piezoelettriche dei film sottili e ha confrontato i film PMN-PT con i valori riportati di altri materiali per attuatori microlavorati per mostrare il potenziale del PMN-PT per applicazioni di attuatori e raccolta di energia.

In un recente articolo su Science, il team ha riportato i valori più alti di proprietà piezoelettriche per qualsiasi film sottile piezoelettrico fino ad oggi, e una cifra di merito due volte più alta rispetto ai migliori film PZT segnalati per applicazioni di raccolta di energia. Questo aumento dell'attività piezoelettrica effettiva in un film sottile si tradurrà in un notevole miglioramento delle prestazioni. Per esempio, la raccolta di energia utilizzando tali film sottili fornirà fonti di alimentazione locali per i nodi di sensori wireless per i ponti, aereo, e potenzialmente per i sensori del corpo umano.

Insieme ai ricercatori di Penn State e UW-Madison, le istituzioni partecipanti includevano il National Institute of Standards and Technology (NIST), Università del Michigan, Università della California, Berkeley, Università Cornell, e Laboratorio Nazionale Argonne. La carta, intitolato “Giant Piezoelectricity on Si for Hyperactive MEMS, ” è apparso nel numero del 18 novembre di Scienza . Il lavoro alla Penn State è stato sostenuto da una borsa di studio della Facoltà di scienze e ingegneria della sicurezza nazionale. Altro supporto è stato fornito dalla National Science Foundation, il Dipartimento dell'Energia, l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, e una borsa di studio David Lucile Packard.