(PhysOrg.com) - Los investigadores han desarrollado una técnica de "infiltración de plantilla blanda" para fabricar nanotubos ferroeléctricos piezoeléctricos activos independientes y otras nanoestructuras de PZT, un material que es atractivo debido a su gran respuesta piezoeléctrica. Desarrollado en el Instituto de Tecnología de Georgia, la técnica permite la fabricación de nanoestructuras ferroeléctricas con formas definidas por el usuario, ubicación y variación del patrón en el mismo sustrato.

Las estructuras resultantes, que tienen de 100 a 200 nanómetros de diámetro exterior con un espesor que varía de 5 a 25 nanómetros, muestran una respuesta piezoeléctrica comparable a la de las películas delgadas de PZT de dimensiones mucho mayores. En última instancia, la técnica podría conducir a la producción de cristales fotónicos y fonónicos activamente sintonizables, emisores de terahercios, recolectores de energía, micromotores, microbombas y sensores nanoelectromecánicos, actuadores y transductores, todos fabricados con material PZT.

Utilizando una técnica de caracterización novedosa desarrollada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Los investigadores realizaron por primera vez mediciones in situ de alta precisión de las propiedades piezoeléctricas a nanoescala de las estructuras.

“Estamos utilizando un nuevo método de nanofabricación para crear nanoestructuras tridimensionales con altas relaciones de aspecto en materiales ferroeléctricos que tienen atractivas propiedades piezoeléctricas, ”Dijo Nazanin Bassiri-Gharb, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "También aprovechamos un nuevo método de caracterización disponible a través de Oak Ridge para estudiar la respuesta piezoeléctrica de estas nanoestructuras en el sustrato donde se produjeron".

La investigación se publicó en línea el 26 de enero de 2012, y está programado para su publicación en la edición impresa (Vol. 24, Número 9) de la revista Materiales avanzados . La investigación fue apoyada por fondos de puesta en marcha de nuevos profesores de Georgia Tech.

Los materiales ferroeléctricos a escala nanométrica son prometedores para una amplia gama de aplicaciones, pero procesarlos en dispositivos útiles ha demostrado ser un desafío, a pesar del éxito en la producción de tales dispositivos a escala micrométrica. Técnicas de fabricación de arriba hacia abajo, como el fresado con haz de iones enfocado, permitir una definición precisa de dispositivos a escala nanométrica, pero el proceso puede inducir daños en la superficie que degradan las propiedades ferroeléctricas y piezoeléctricas que hacen que el material sea interesante.

Hasta ahora, Las técnicas de fabricación de abajo hacia arriba no han podido producir estructuras con relaciones de aspecto altas y un control preciso sobre la ubicación. La técnica informada por los investigadores de Georgia Tech permite la producción de nanotubos hechos de PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) con relaciones de aspecto de hasta 5 a 1.

"Esta técnica nos da un grado de control sobre el proceso tridimensional que no habíamos tenido antes, ”Dijo Bassiri-Gharb. “Cuando hicimos la caracterización, vimos un efecto de tamaño que hasta ahora solo se había observado en películas delgadas de este material a escalas de tamaño mucho mayores ".

Los nanotubos ferroeléctricos son especialmente interesantes porque sus propiedades, incluido el tamaño, forma, Respuestas ópticas y características dieléctricas:se pueden controlar mediante fuerzas externas incluso después de su fabricación.

“Estos son materiales verdaderamente inteligentes, lo que significa que responden a estímulos externos como campos eléctricos aplicados, campos térmicos o campos de tensión, ”Dijo Bassiri-Gharb. “Puede ajustarlos para que se comporten de manera diferente. Los dispositivos fabricados con estos materiales podrían ajustarse para responder a una longitud de onda diferente o para emitir a una longitud de onda diferente durante el funcionamiento ".

Por ejemplo, el efecto piezoeléctrico podría permitir la fabricación de tubos “nano-musculares” que actuarían como pequeñas bombas cuando se les aplica un campo eléctrico. Los campos también podrían usarse para ajustar las propiedades de los cristales fotónicos, o para crear estructuras cuyo tamaño se pueda alterar ligeramente para absorber energía electromagnética de diferentes longitudes de onda.

Al fabricar los nanotubos, Bassiri-Gharb y la estudiante de posgrado Ashley Bernal (actualmente profesora asistente en el Instituto de Tecnología Rose-Hulman) comenzaron con un sustrato de silicio y lo recubrieron con un material de resistencia de haz de electrones negativo. Se creó una plantilla utilizando litografía por haz de electrones, y se añadió una capa fina de óxido de aluminio encima de eso usando deposición de capa atómica.

Próximo, la plantilla se sumergió al vacío en un baño de ultrasonidos que contenía una solución de precursor químico para PZT. Las estructuras fueron pirolizadas a 300 grados Celsius, luego recocido en un proceso de tratamiento térmico de dos pasos a 600 y 800 grados Celsius para cristalizar el material y descomponer el sustrato de polímero. El proceso produjo nanotubos PZT independientes conectados por una capa delgada del óxido de aluminio original. El aumento de la infiltración química permite la producción de nanobarras o nanocables sólidos en lugar de nanotubos huecos.

Aunque los investigadores utilizaron la litografía por haz de electrones para crear la plantilla en la que se cultivaron las estructuras, en principio, muchos otros productos químicos, Se pueden utilizar técnicas de modelado ópticas o mecánicas para crear las plantillas, Bassiri-Gharb señaló.

En estudios realizados en colaboración con los investigadores Sergei Kalinin y Alexander Tselev del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, los dispositivos producidos por el proceso de plantilla blanda se analizaron con microscopía de fuerza de piezrespuesta de excitación de banda (BPFM). La técnica permitió a los investigadores aislar las propiedades de la punta AFM de las de la muestra PZT, permitiendo un análisis con suficiente detalle para detectar los efectos piezoeléctricos a escala de tamaño.

“Una de nuestras observaciones más importantes es que estos nanomateriales piezoeléctricos nos permiten generar un factor de aumento de cuatro a seis en la respuesta piezoeléctrica extrínseca en comparación con el uso de películas delgadas, ”Dijo Baassiri-Gharb. “Esto sería una gran ventaja en términos de fabricación porque significa que podríamos obtener la misma respuesta de estructuras mucho más pequeñas de las que hubiéramos tenido que usar de otra manera”.