Esta imagen muestra la topografía (por microscopio de fuerza atómica) de una matriz de línea PTO ferroeléctrica cristalizada en una película precursora de 360 nanómetros de espesor sobre poliimida. La barra de escala corresponde a una micra. Crédito:Cortesía de Suenne Kim
Usando una técnica conocida como nanolitografía termoquímica (TCNL), Los investigadores han desarrollado una nueva forma de fabricar estructuras ferroeléctricas a escala nanométrica directamente sobre sustratos plásticos flexibles que serían incapaces de soportar las temperaturas de procesamiento normalmente requeridas para crear tales nanoestructuras.
La técnica, que utiliza una punta de microscopio de fuerza atómica calentada (AFM) para producir patrones, podría facilitar alta densidad, producción de bajo costo de estructuras ferroeléctricas complejas para arreglos de recolección de energía, sensores y actuadores en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y sistemas microelectromecánicos (MEMS). La investigación fue publicada el 15 de julio en la revista Materiales avanzados .
"Podemos crear directamente materiales piezoeléctricos de la forma que queramos, donde los queremos, en sustratos flexibles para su uso en la recolección de energía y otras aplicaciones, "dijo Nazanin Bassiri-Gharb, coautor del artículo y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta es la primera vez que estructuras como estas se han cultivado directamente con un proceso compatible con CMOS a una resolución tan pequeña. No solo hemos podido cultivar estas estructuras ferroeléctricas a bajas temperaturas del sustrato, pero también hemos podido modelarlos a escalas muy pequeñas ".
La investigación fue patrocinada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU. Además de los investigadores de Georgia Tech, el trabajo también involucró a científicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad de Nebraska Lincoln.
Los investigadores han producido alambres de aproximadamente 30 nanómetros de ancho y esferas con diámetros de aproximadamente 10 nanómetros utilizando la técnica de modelado. Las esferas con aplicación potencial como memoria ferroeléctrica se fabricaron a densidades superiores a 200 gigabytes por pulgada cuadrada, actualmente el récord para este material ferroeléctrico de tipo perovskita. dijo Suenne Kim, primer autor del artículo y becario postdoctoral en laboratorio de la profesora Elisa Riedo en la Escuela de Física de Georgia Tech.
Los materiales ferroeléctricos son atractivos porque exhiben respuestas piezoeléctricas generadoras de carga un orden de magnitud mayor que las de materiales como el nitruro de aluminio o el óxido de zinc. La polarización de los materiales se puede cambiar fácil y rápidamente, dándoles una aplicación potencial como elementos de memoria de acceso aleatorio.
Pero los materiales pueden ser difíciles de fabricar, requiriendo temperaturas superiores a 600 grados Celsius para la cristalización. Las técnicas de grabado químico producen tamaños de grano tan grandes como las características a nanoescala que los investigadores quisieran producir, mientras que los procesos de grabado físico dañan las estructuras y reducen sus propiedades atractivas. Hasta ahora, Estos desafíos requerían que las estructuras ferroeléctricas se cultivaran en un sustrato monocristalino compatible con altas temperaturas, luego se transfiere a un sustrato flexible para su uso en la recolección de energía.
El proceso de nanolitografía termoquímica, que se desarrolló en Georgia Tech en 2007, aborda esos desafíos mediante el uso de calefacción extremadamente localizada para formar estructuras solo donde la punta de AFM calentada resistivamente entra en contacto con un material precursor. Una computadora controla la escritura de AFM, permitiendo a los investigadores crear patrones de material cristalizado donde se desee. Para crear estructuras de captación de energía, por ejemplo, Las líneas correspondientes a los nanocables ferroeléctricos se pueden trazar a lo largo de la dirección en la que se aplicaría la deformación.
"El calor de la punta de AFM cristaliza el precursor amorfo para hacer la estructura, "Explicó Bassiri-Gharb." Los patrones se forman solo donde ocurre la cristalización ".
La imagen del microscopio electrónico de barrido muestra una gran matriz de líneas PZT cristalizada en una película precursora de 240 nanómetros de espesor sobre una oblea de silicio platinizado. Crédito:Cortesía de Yaser Bastani
Para comenzar la fabricación, el material precursor sol-gel se aplica primero a un sustrato con un método estándar de recubrimiento por rotación, luego se calienta brevemente a aproximadamente 250 grados Celsius para expulsar los disolventes orgánicos. Los investigadores han utilizado poliimida, sustratos de vidrio y silicona, pero en principio, se podría utilizar cualquier material capaz de resistir el paso de calentamiento de 250 grados. Las estructuras se han realizado a partir de Pb (ZrTi) O 3 - conocido como PZT, y PbTiO 3 - conocido como PTO.
"Seguimos calentando el precursor a las temperaturas necesarias para cristalizar la estructura, pero el calentamiento es tan localizado que no afecta al sustrato, "explicó Riedo, coautor del artículo y profesor asociado en la Escuela de Física de Georgia Tech.
Las puntas AFM calentadas fueron proporcionadas por William King, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería Mecánica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Como siguiente paso, los investigadores planean usar matrices de puntas AFM para producir áreas con patrones más grandes, y mejore las puntas AFM calefactadas para que funcionen durante períodos de tiempo más prolongados. Los investigadores también esperan comprender la ciencia básica detrás de los materiales ferroeléctricos, incluyendo propiedades a nanoescala.
"Necesitamos observar la termodinámica de crecimiento de estos materiales ferroeléctricos, ", dijo Bassiri-Gharb." También necesitamos ver cómo cambian las propiedades cuando se pasa del volumen a la escala de micrones y luego a la escala nanométrica. Necesitamos entender qué sucede realmente con las respuestas extrínsecas e intrínsecas de los materiales a estas pequeñas escalas ".
Por último, matrices de puntas AFM bajo control de computadora podrían producir dispositivos completos, proporcionando una alternativa a las técnicas de fabricación actuales.
"La nanolitografía termoquímica es una técnica de nanofabricación muy poderosa que, a través de la calefacción, es como un bolígrafo a nanoescala que puede crear nanoestructuras útiles en una variedad de aplicaciones, incluidas las matrices de proteínas, Matrices de ADN, y nanocables similares al grafeno, "Explicó Riedo." Realmente estamos abordando el problema causado por las limitaciones existentes de la fotolitografía en estas escalas de tamaño. Podemos imaginar la creación de un dispositivo completo basado en la misma técnica de fabricación sin los requisitos de costosas salas blancas y equipos basados en vacío. Estamos avanzando hacia un proceso en el que se realizan varios pasos utilizando la misma herramienta para crear patrones a pequeña escala ".
