(PhysOrg.com) -- I ricercatori hanno sviluppato una tecnica di "infiltrazione del modello morbido" per fabbricare nanotubi ferroelettrici piezoelettricamente attivi indipendenti e altre nanostrutture da PZT, un materiale che è attraente per la sua ampia risposta piezoelettrica. Sviluppato presso il Georgia Institute of Technology, la tecnica consente la fabbricazione di nanostrutture ferroelettriche con forme definite dall'utente, posizione e variazione del modello attraverso lo stesso substrato.

Le strutture risultanti, che sono da 100 a 200 nanometri di diametro esterno con uno spessore compreso tra 5 e 25 nanometri, mostrano una risposta piezoelettrica paragonabile a quella di film sottili PZT di dimensioni molto maggiori. La tecnica potrebbe infine portare alla produzione di cristalli fotonici e fononici attivabili, emettitori terahertz, raccoglitori di energia, micromotori, micropompe e sensori nanoelettromeccanici, attuatori e trasduttori – tutti realizzati in materiale PZT.

Utilizzando una nuova tecnica di caratterizzazione sviluppata presso l'Oak Ridge National Laboratory, i ricercatori per la prima volta hanno effettuato misurazioni in situ ad alta precisione delle proprietà piezoelettriche su nanoscala delle strutture.

“Stiamo utilizzando un nuovo metodo di nanoproduzione per creare nanostrutture tridimensionali con alti rapporti di forma in materiali ferroelettrici che hanno proprietà piezoelettriche attraenti, ” ha detto Nazanin Bassiri-Gharb, un assistente professore presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Abbiamo anche sfruttato un nuovo metodo di caratterizzazione disponibile tramite Oak Ridge per studiare la risposta piezoelettrica di queste nanostrutture sul substrato in cui sono state prodotte".

La ricerca è stata pubblicata online il 26 gennaio, 2012, ed è prevista per la pubblicazione nell'edizione cartacea (Vol. 24, Numero 9) della rivista Materiale avanzato . La ricerca è stata supportata dai fondi di avvio della nuova facoltà della Georgia Tech.

I materiali ferroelettrici su scala nanometrica sono promettenti per un'ampia gamma di applicazioni, ma trasformarli in dispositivi utili si è rivelato impegnativo, nonostante il successo nella produzione di tali dispositivi su scala micrometrica. Tecniche di produzione dall'alto verso il basso, come la fresatura a fascio ionico focalizzato, consentono una definizione accurata dei dispositivi su scala nanometrica, ma il processo può indurre danni superficiali che degradano le proprietà ferroelettriche e piezoelettriche che rendono interessante il materiale.

Fino ad ora, le tecniche di fabbricazione dal basso verso l'alto non sono state in grado di produrre strutture con proporzioni elevate e un controllo preciso sulla posizione. La tecnica riportata dai ricercatori della Georgia Tech consente la produzione di nanotubi in PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) con proporzioni fino a 5 a 1.

“Questa tecnica ci dà un grado di controllo sul processo tridimensionale che non abbiamo avuto prima, ” ha detto Bassiri-Gharb. “Quando abbiamo fatto la caratterizzazione, abbiamo visto un effetto dimensionale che fino ad ora era stato osservato solo in film sottili di questo materiale su scale di dimensioni molto più grandi”.

I nanotubi ferroelettrici sono particolarmente interessanti perché le loro proprietà, tra cui dimensioni, forma, risposte ottiche e caratteristiche dielettriche – possono essere controllate da forze esterne anche dopo la loro fabbricazione.

“Questi sono materiali veramente intelligenti, il che significa che rispondono a stimoli esterni come campi elettrici applicati, campi termici o campi di stress, ” ha detto Bassiri-Gharb. “Puoi sintonizzarli per comportarsi in modo diverso. I dispositivi realizzati con questi materiali potrebbero essere messi a punto per rispondere a una lunghezza d'onda diversa o per emettere a una lunghezza d'onda diversa durante il funzionamento.

Per esempio, l'effetto piezoelettrico potrebbe consentire la fabbricazione di tubi "nano-muscolari" che fungerebbero da minuscole pompe quando viene applicato loro un campo elettrico. I campi potrebbero essere utilizzati anche per regolare le proprietà dei cristalli fotonici, o per creare strutture la cui dimensione può essere leggermente modificata per assorbire energia elettromagnetica di diverse lunghezze d'onda.

Nella fabbricazione dei nanotubi, Bassiri-Gharb e la studentessa Ashley Bernal (attualmente assistente professore presso il Rose-Hulman Institute of Technology) hanno iniziato con un substrato di silicio e hanno rivestito di spin un materiale resistivo a fascio di elettroni negativo su di esso. È stato creato un modello utilizzando la litografia a fascio di elettroni, e un sottile strato di ossido di alluminio è stato aggiunto sopra a quello usando la deposizione di strati atomici.

Prossimo, lo stampo è stato immerso sotto vuoto in un bagno ad ultrasuoni contenente una soluzione di precursore chimico per PZT. Le strutture sono state pirolizzate a 300 gradi Celsius, quindi ricotto in un processo di trattamento termico in due fasi a 600 e 800 gradi Celsius per cristallizzare il materiale e decomporre il substrato polimerico. Il processo ha prodotto nanotubi PZT indipendenti collegati da un sottile strato di ossido di alluminio originale. L'aumento della quantità di infiltrazione chimica consente la produzione di nanotubi solidi o nanofili invece di nanotubi cavi.

Sebbene i ricercatori abbiano utilizzato la litografia a fascio di elettroni per creare il modello su cui sono state coltivate le strutture, in linea di principio, molti altri prodotti chimici, tecniche di modellazione ottica o meccanica potrebbero essere utilizzate per creare i modelli, Osserva Bassiri-Gharb.

Negli studi condotti in collaborazione con i ricercatori Sergei Kalinin e Alexander Tselev del Center for Nanophase Materials Sciences presso l'Oak Ridge National Laboratory, i dispositivi prodotti dal processo soft template sono stati analizzati con microscopia a forza di piezorisposta ad eccitazione di banda (BPFM). La tecnica ha permesso ai ricercatori di isolare le proprietà della punta AFM da quelle del campione PZT, consentendo un'analisi sufficientemente dettagliata per rilevare gli effetti piezoelettrici su scala dimensionale.

"Una delle nostre osservazioni più importanti è che questi nanomateriali piezoelettrici ci consentono di generare un fattore da quattro a sei di aumento della risposta piezoelettrica estrinseca rispetto all'uso di film sottili, ” ha detto Baassiri-Gharb. "Questo sarebbe un enorme vantaggio in termini di produzione perché significa che potremmo ottenere la stessa risposta da strutture molto più piccole di quelle che avremmo dovuto utilizzare altrimenti".