Nanorakenteita pietsomateriaaleista

Georgia Institute of Technologyn tutkijoiden johdolla on kehitetty tekniikka, joka mahdollistaa ferrosähköisten nanorakenteiden valmistuksen käyttäjän määrittämään muotoon, paikkaan ja malliin vaihtelevasti samalle alustalle.

Tutkija ovat tuottaneet halkaisijaan 100-200 nanometrisiä ja seinämäpaksuudeltaan 5-25 nanometrisiä rakenteita, jotka tuottavat pietsosähköisen vasteen, joka on verrattavissa paljon suurempien PZT-ohutkalvojen vastaaviin.

Tekniikka voisi lopulta johtaa aktiivisesti viritettävien fotonisten ja fononisten kiteiden, terahertsisäteilijöihin, energiaharvestereiden, mikromoottoreiden, mikropumppujen ja nanosähkömekaanisten antureiden, toimilaitteiden ja yleensä antureiden valmistamiseen PZT-materiaalista.

Ferrosähköisiä materiaaleja käytetään jo käytännön tuotteissa mikrometrien mittakaavoissa mutta nanometrien mittoihin siirtyminen on osoittautunut haastavaksi. Esimerkiksi ionisuihkujyrsintä mahdollistaa nanometrimitoitukset mutta prosessi aiheuttaa pintavaurioita, joka heikentävät ferrosähköisiä ja pietsosähköisiä ominaisuuksia.

Tähän asti myöskään alhaalta ylös rakentava valmistustekniikalla ei ole pystynyt tuottamaan rakenteita, joilla on sekä korkea sivusuhde että tarkka paikka. Georgia Techin raportoima tekniikka mahdollistaa tuottaa PZT:stä (PbZr0.52Ti0.48O3) valmistettuja nanoputkia, joiden sivusuhde on jopa 5:1.

Ferrosähköisten nanoputkien ominaisuuksia - kuten kokoa, muotoa, optista vastetta ja dielektrisiä ominaisuuksia - voidaan ohjata ulkoisilla voimilla jopa sen jälkeen kun ne on valmistettu.

Nämä uudenlaiset älykkäät materiaalit voivat reagoida ulkoisiin ärsykkeisiin kuten sähkö-, lämpö- tai voimakenttiin ja niistä valmistetut laitteet voidaan hienovirittää reagoimaan toiminnan aikana eri aallonpituuksiin tai lähettämään eri aallonpituuksia.

Tutkijoiden mukaan yksi tärkeimpiä havaintoja on, että pietsosähköiset nanomateriaalit mahdollistavat luoda neljä-kuusi -kertaisen lisäyksen ulkoiseen pietsosähköiseen vasteeseen verrattuna ohutkalvojen käyttöön. Tämä tarkoittaa myös, että sama vaste saadaan aikaan huomattavasti pienemmillä rakenteilla kuin muuten olisi käytettävissä.