Lyijyttömiä ja ohuempia pietsosähköisiä kalvoja

Osakan metropoliyliopiston tutkijat ovat kehittäneet tehokkaita, lyijyttömiä pietsosähköisiä ohutkalvoja suoraan tavallisille piikiekoille.

Heidän tuloksensa ovat merkittävä askel kohti ympäristöystävällisten energiankeruulaitteiden tuotantoa, jotka ovat yhteensopivia perinteisen puolijohdevalmistuksen kanssa.

"Olemme työskennelleet värähtelykäyttöisten laitteiden kehittämiseksi uutena pietsosähköisten materiaalien sovelluksena", sanoo Osakan metropoliyliopiston apulaisprofessori Takeshi Yoshimura.

Etsiessään lyijytöntä mutta silti erittäin tehokasta vaihtoehtoa, tiimi suunnitteli mangaanilla seostetun vismuttiferriittisen ultraohuen kalvon, joka kasvatettiin suoraan piikiekoille.

Tällaisen rakenteen kehittäminen ei ollut helppoa. Vismuttiferriitti ei luonnostaan toimi piin pinnalla. Puristusjännitys parantaa vismuttiferriitin pietsosähköisiä ominaisuuksia; laitteen valmistuksessa tarvittavat piikiekot luovat kuitenkin päinvastaisen vaikutuksen, vetämällä kalvoa jäähdytyksen aikana sen sijaan, että se puristuisi.

"Sen sijaan, että olisimme yrittäneet välttää vetojännitystä, yritimme hyödyntää sitä eduksemme", Yoshimura sanoi. "Tavoitteenamme oli käynnistää rakenteellinen faasimuutos, joka voisi parantaa dramaattisesti pietsosähköistä suorituskykyä jopa tavallisilla piikiekoilla."

Tämän saavuttaminen edellytti useiden teknisten esteiden voittamista: tiimin piti kasvattaa korkealaatuisia, yksikiteisiä ohutkalvoja sputteroimalla, puolijohdeteollisuudessa laajalti käytettyä pinnoitustekniikkaa, samalla kun kasvulämpötilaa piti tarkasti kontrolloida. Tämä oli erityisen vaikeaa, koska vismutilla on alhainen sulamispiste, mikä tekee kalvon koostumuksesta herkän lämpötilan muutoksille.

Myös kiinalaiset tutkijat ovat kehitelleet lyijyttömiä vaihtoehtoja.

Nykyisin johtavan lyijyttömän ehdokkaan, vismuttiferriitin suorituskyky heikkenee romahtaen, kun sen kalvot ovat ohuempia kuin noin 30 nm.

Kiinan tiedeakatemian metallitutkimuslaitoksen tutkijat yhdessä yhteistyökumppaneidensa kanssa ovat kuitenkin rikkoneet tämän "paksuusrajan" suunnittelemalla BiFeO3:sta valmistettuja ultraohuita kalvoja, joiden pietsosähköinen vaste on yli neljä kertaa suurempi kuin perinteisillä materiaalimuodoilla.

”Tämä työ osoittaa, että BiFeO3:n sähköiset dipolit voivat kytkeytyä voimakkaasti rajapintajännitykseen ja paikalliseen atomiympäristöönsä, mikä johtaa uusiin polarisaatiokonfiguraatioihin, jotka ovat kriittisen tärkeitä pietsosähköisen vasteen virittämisessä”, sanoo tutkimuksen vastaava kirjoittaja, professori TANG Yunlong.

Aiheesta aiemmin:

TENG haastaa PENGin

Pietsosähköisyyttä kvanttimittausiin

Tehokkaampaa värähtelyenergian talteenottoa