Un avance en la tecnología de fabricación ha mejorado enormemente la calidad del material y el rendimiento de las películas delgadas de un material 'piezoeléctrico' sin plomo. Este desarrollo de los investigadores de A * STAR promete desbloquear una alternativa sin plomo al estándar de plomo-circonio-titanato (PZT).

Los piezoeléctricos son materiales notables que se deforman con la aplicación de un campo eléctrico y, en cambio, producir una corriente eléctrica cuando se comprime. Se utilizan en muchas aplicaciones electrónicas, incluso como actuadores electromecánicos y como sensores de tensión y aceleración. También se están integrando películas delgadas de materiales piezoeléctricos en circuitos y dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Por décadas, PZT fue el material piezoeléctrico de elección, ya que ofrecía el grado de deformación o sensibilidad necesarios para aplicaciones prácticas. Sin embargo, PZT contiene 60% de plomo, un metal tóxico, que, aunque una vez se usó comúnmente en electrónica, ha sido prohibido.

Un material alternativo, que se basa en una composición de niobato de potasio-sodio y se conoce como KNN, se utiliza como reemplazo de PZT en muchas aplicaciones a granel. Sin embargo, las películas delgadas de KNN son problemáticas porque están sujetas a una ruptura del control de la composición y al orden atómico necesario para producir el efecto piezoeléctrico.

Ahora, Kui Yao y colegas del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales, en colaboración con investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, han demostrado que un método de fabricación basado en soluciones que utiliza un cóctel de agentes químicos cuidadosamente formulado puede producir películas delgadas de KNN con un rendimiento piezoeléctrico comparable al PZT.

"Ha sido un desafío lograr excelentes propiedades piezoeléctricas en películas delgadas basadas en KNN porque las condiciones de fase necesarias para el efecto piezoeléctrico dependen muy sensiblemente de la composición, "explica Yao". En KNN, ha sido difícil suprimir la pérdida de elementos volátiles necesarios para estas condiciones ".

Yao y su equipo superaron este problema agregando una mezcla de agentes estabilizadores químicos, refinados durante más de diez años de investigación, a la solución precursora utilizada para preparar las películas delgadas KNN. Las interacciones entre los iones alcalinos volátiles en solución y el agente estabilizador suprimieron la volatilización, permitiendo que las composiciones de las películas resultantes estén bien controladas.

"Con la composición de la película bajo control, pudimos estudiar las transiciones de fase en el material y su dependencia de la composición química y el estrés en las películas delgadas basadas en KNN, "dice Yao.

Mediante mediciones láser combinadas con análisis teóricos a partir de simulaciones de primeros principios, el equipo confirmó que el rendimiento de sus películas piezoeléctricas las convierte en una alternativa viable sin plomo al PZT.