Investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State forman parte de un equipo multidisciplinario de investigadores de universidades y laboratorios nacionales de los EE. UU. Que han fabricado películas delgadas piezoeléctricas con propiedades récord. Estas películas de ingeniería tienen un gran potencial para aplicaciones de recolección de energía, así como en sistemas microelectromecánicos (MEMS), micro actuadores, y sensores para una variedad de sistemas miniaturizados, como imágenes de ultrasonido, microfluidos, y detección mecánica.

Los materiales piezoeléctricos pueden transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. La mayoría de los MEMS utilizan silicio, el material estándar para la electrónica de semiconductores, como sustrato. La integración de películas delgadas piezoeléctricas en dispositivos MEMS basados ​​en silicio con dimensiones desde micrómetros hasta unos pocos milímetros de tamaño agregará un componente activo que puede aprovechar el movimiento. como una pisada o un motor vibratorio, para generar corriente eléctrica, o use un pequeño voltaje aplicado para crear un movimiento de nivel de micras, como al enfocar una cámara digital.

Previamente, Los mejores dispositivos MEMS piezoeléctricos se fabricaron con capas de películas de titanato de plomo y circonio (PZT) de silicio. Recientemente, un equipo dirigido por Chang-Beom Eom de la Universidad de Wisconsin-Madison sintetizó una película delgada de niobato de plomo y magnesio-titanato de plomo (PMN-PT) integrada en un sustrato de silicio.

El equipo de Penn State, dirigido por Susan Trolier-McKinstry, profesor de ciencia e ingeniería cerámica, e incluido el investigador asociado Srowthi Bharadwaja, Doctor, midió el rendimiento eléctrico y piezoeléctrico de las películas delgadas y comparó las películas de PMN-PT con los valores informados de otros materiales de actuadores micromecanizados para mostrar el potencial de PMN-PT para aplicaciones de actuadores y recolección de energía.

En un artículo reciente en Science, el equipo informó los valores más altos de propiedades piezoeléctricas para cualquier película delgada piezoeléctrica hasta la fecha, y una cifra de mérito dos veces mayor que las películas PZT mejor reportadas para aplicaciones de recolección de energía. Este aumento en la actividad piezoeléctrica efectiva en una película delgada dará como resultado una mejora dramática en el rendimiento. Por ejemplo, La recolección de energía utilizando películas tan delgadas proporcionará fuentes de energía locales para los nodos de sensores inalámbricos para puentes. aeronave, y potencialmente para sensores del cuerpo humano.

Junto con los investigadores de Penn State y UW-Madison, las instituciones participantes incluyeron el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Universidad de Michigan, Universidad de California, Berkeley, Universidad de Cornell, y Laboratorio Nacional Argonne. El papel, titulado "Piezoelectricidad gigante en Si para MEMS hiperactivos, ”Apareció en la edición del 18 de noviembre de Ciencias . El trabajo en Penn State fue apoyado por una Beca de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de Seguridad Nacional. Otro apoyo fue proporcionado por la National Science Foundation, el Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y una beca David Lucile Packard.