Estructura en voladizo hiper-activa micro-mecanizada que incorpora el material de respuesta piezoeléctrica gigante PMN-PT. La respuesta piezoeléctrica gigante de bajo voltaje induce el movimiento mecánico (PMN-PT) del voladizo micromecanizado. En sentido antihorario desde la parte superior izquierda:1) Estructura de capa esquemática que muestra la base de silicio, electrodos metálicos superior e inferior, y PMN-PT activo. 2) Imagen de microscopio electrónico de barrido en color falso del voladizo terminado. 3) Imagen de microscopio electrónico de transmisión que muestra la estructura de las capas. 4) Imagen de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución que muestra una disposición atómica perfecta de la capa de PMN-PT de respuesta piezoeléctrica gigante y el electrodo metálico inferior SrRuO3.
(PhysOrg.com) - Integrando un complejo, material monocristalino con propiedades piezoeléctricas "gigantes" sobre silicio, Los ingenieros y físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison pueden fabricar dispositivos electromecánicos casi a nanoescala que podrían conducir a mejoras en la obtención de imágenes en 3-D de alta resolución, procesamiento de la señal, comunicaciones, recolección de energía, sintiendo y actuadores para dispositivos de nanoposicionamiento, entre otros.
Dirigido por Chang-Beom Eom, un profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física de UW-Madison, el equipo multiinstitucional publicó sus resultados el 18 de noviembre de número de la revista Ciencias . (Eom y sus alumnos también son coautores de otro artículo, "Dinámica de dominio durante la conmutación ferroeléctrica, "publicado en el mismo número).
Los materiales piezoeléctricos utilizan movimiento mecánico para generar una señal eléctrica, como la luz que destella en los tacones de los zapatos de algunos niños cuando pisan fuerte. En cambio, Los piezoeléctricos también pueden usar una señal eléctrica para generar movimiento mecánico, por ejemplo, Los materiales piezoeléctricos se utilizan para generar ondas acústicas de alta frecuencia para la obtención de imágenes por ultrasonido.
Eom estudia el titanato de plomo, niobato de magnesio y plomo, material piezoeléctrico avanzado, o PMN-PT. Dichos materiales exhiben una respuesta piezoeléctrica "gigante" que puede producir un desplazamiento mecánico mucho mayor con la misma cantidad de campo eléctrico que los materiales piezoeléctricos tradicionales. También pueden actuar como actuadores y sensores. Por ejemplo, utilizan electricidad para emitir una onda de ultrasonido que penetra profundamente en el cuerpo y devuelve datos capaces de mostrar una imagen tridimensional de alta calidad.
En la actualidad, una limitación importante de estos materiales avanzados es que para incorporarlos en dispositivos de muy pequeña escala, los investigadores comienzan con un material a granel y muelen, córtelo y púlelo al tamaño que desee. Es una imprecisión proceso propenso a errores que es intrínsecamente inadecuado para sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) o sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Hasta ahora, La complejidad de PMN-PT ha frustrado los esfuerzos de los investigadores por desarrollar técnicas de fabricación a microescala reproducibles.
Aplicar técnicas de fabricación a microescala, como las que se utilizan en la electrónica informática, El equipo de Eom ha superado esa barrera. Él y sus colegas trabajaron desde cero para integrar PMN-PT sin problemas en el silicio. Debido a las posibles reacciones químicas entre los componentes, colocaron materiales en capas y planificaron cuidadosamente la ubicación de los átomos individuales. "Primero debes establecer el elemento correcto, "dice Eom.
En una plataforma de silicio, "su equipo agrega una capa muy fina de titanato de estroncio, que actúa como plantilla e imita la estructura del silicio. Luego viene una capa de rutenato de estroncio, un electrodo que Eom desarrolló hace algunos años, y finalmente, el material piezoeléctrico monocristalino PMN-PT.
Los investigadores han caracterizado la respuesta piezoeléctrica del material, que se correlaciona con las predicciones teóricas. "Las propiedades del monocristal que integramos en el silicio son tan buenas como las del monocristal a granel, "dice Eom.
Su equipo llama a los dispositivos fabricados a partir de este material piezoeléctrico gigante "MEMS hiperactivos" por su potencial para ofrecer a los investigadores un alto nivel de control activo. Usando el material, su equipo también desarrolló un proceso para fabricar MEMS piezoeléctricos. Aplicado en el procesamiento de señales, comunicaciones, actuadores de imágenes médicas y nanoposicionamiento, Los dispositivos MEMS hiperactivos podrían reducir el consumo de energía y aumentar la velocidad del actuador y la sensibilidad del sensor. Adicionalmente, a través de un proceso llamado recolección de energía, Los dispositivos MEMS hiperactivos podrían convertir la energía de fuentes como vibraciones mecánicas en electricidad que alimenta otros dispositivos pequeños, por ejemplo, para comunicación inalámbrica.
La National Science Foundation está financiando la investigación a través de un programa de cuatro años Subvención NIRT de $ 1,35 millones. En UW-Madison, Los miembros del equipo incluyen al profesor Lynn H. Matthias de Ingeniería Eléctrica e Informática, el profesor Robert Blick y al profesor de física Mark Rzchowski. Otros colaboradores incluyen personas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Universidad del Estado de Pensilvania, la Universidad de Michigan, Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad de California en Berkeley, y la Universidad de Cornell.
