Los materiales piezoeléctricos se utilizan para aplicaciones que van desde el encendedor de chispa en parrillas de barbacoa hasta los transductores necesarios para la obtención de imágenes médicas por ultrasonido. Piezoeléctricos de película fina, con dimensiones en la escala de micrómetros o menores, ofrecen potencial para nuevas aplicaciones donde se requieren dimensiones más pequeñas o una operación de menor voltaje.

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania han demostrado una nueva técnica para fabricar sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos (MEMS) conectando una muestra de películas delgadas piezoeléctricas de titanato de circonato de plomo (PZT) a sustratos poliméricos flexibles. La candidata a doctorado Tianning Liu y sus coautores informan sus resultados esta semana en el Revista de física aplicada .

"Existe una rica historia de trabajo en películas delgadas piezoeléctricas, pero las películas sobre sustratos rígidos tienen limitaciones que provienen del sustrato, "dijo Thomas N. Jackson, profesor de Penn State y uno de los autores del artículo. "Este trabajo abre nuevas áreas para piezoeléctricas de película delgada que reducen la dependencia del sustrato".

Los investigadores cultivaron películas delgadas de PZT policristalino sobre un sustrato de silicio con una capa de liberación de óxido de zinc. a lo que se le añadió una fina capa de poliimida. Luego usaron ácido acético para eliminar el óxido de zinc, liberando la película de PZT de 1 micrómetro de espesor con la capa de poliimida del sustrato de silicio. La película de PZT sobre poliimida es flexible a la vez que posee propiedades de material mejoradas en comparación con las películas que crecen en sustratos rígidos.

Los dispositivos piezoeléctricos dependen de la capacidad de algunas sustancias como el PZT para generar cargas eléctricas cuando se deforman físicamente. o inversamente para deformarse cuando se les aplica un campo eléctrico. Cultivo de películas PZT de alta calidad, sin embargo, normalmente requiere temperaturas superiores a 650 grados Celsius, casi 300 grados más caliente de lo que la poliimida es capaz de soportar sin degradarse.

La mayoría de las aplicaciones actuales de dispositivos piezoeléctricos utilizan materiales a granel, que dificulta la miniaturización, excluye una flexibilidad significativa, y requiere operación de alto voltaje.

"Por ejemplo, si está pensando en colocar un transductor de ultrasonido en un catéter, una película de PZT sobre un sustrato de polímero le permitiría envolver el transductor alrededor de la circunferencia del catéter, ", Dijo Liu." Esto podría permitir una miniaturización significativa, y debe proporcionar más información para el médico ".

El rendimiento de muchas películas delgadas piezoeléctricas se ha visto limitado por la sujeción del sustrato, un fenómeno en el que el sustrato rígido restringe el movimiento de las paredes del dominio del material piezoeléctrico y degrada sus propiedades. Se ha realizado algún trabajo cristalizando PZT a temperaturas que son compatibles con materiales poliméricos, por ejemplo, utilizando cristalización láser, pero los resultados obtenidos hasta ahora han dado lugar a películas delgadas porosas y propiedades inferiores del material.

Las películas delgadas liberadas sobre poliimida que desarrollaron los investigadores tuvieron un aumento del 45 por ciento en la polarización remanente sobre los controles de sustrato de silicio. lo que indica una mitigación sustancial en la sujeción del sustrato y un rendimiento mejorado. Incluso entonces, Liu dijo, Queda mucho trabajo antes de que los dispositivos MEMS de película delgada puedan competir con los sistemas piezoeléctricos a granel.

"Todavía hay una gran brecha entre colocar PZT en película delgada y en volumen, ", dijo." No es tan grande como entre el volumen y el sustrato, pero también hay cosas como más defectos que contribuyen a la menor respuesta de los materiales de película delgada ".