Des chercheurs du Department of Materials Science and Engineering et du Materials Research Institute de Penn State font partie d'une équipe multidisciplinaire de chercheurs d'universités et de laboratoires nationaux des États-Unis qui ont fabriqué des couches minces piézoélectriques aux propriétés record. Ces films techniques ont un grand potentiel pour les applications de récupération d'énergie, ainsi que dans les micro-systèmes électromécaniques (MEMS), micro-actionneurs, et capteurs pour une variété de systèmes miniaturisés, comme l'imagerie par ultrasons, microfluidique, et la détection mécanique.

Les matériaux piézoélectriques peuvent transformer l'énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. La plupart des MEMS utilisent du silicium, le matériau standard pour l'électronique à semi-conducteurs, comme substrat. L'intégration de couches minces piézoélectriques sur des dispositifs MEMS à base de silicium avec des dimensions allant du micromètre à quelques millimètres ajoutera un composant actif qui peut tirer parti du mouvement, comme un pas ou un moteur vibrant, générer du courant électrique, ou utilisez une petite tension appliquée pour créer un mouvement au niveau du micron, comme la mise au point d'un appareil photo numérique.

Précédemment, les meilleurs dispositifs MEMS piézoélectriques ont été fabriqués avec des couches de films de silicium et de plomb et de titanate de zirconium (PZT). Récemment, une équipe dirigée par Chang-Beom Eom de l'Université du Wisconsin-Madison a synthétisé un film mince de niobate de magnésium et de titanate de plomb (PMN-PT) intégré sur un substrat de silicium.

L'équipe de Penn State, dirigé par Susan Trolier-McKinstry, professeur de science et d'ingénierie de la céramique, et y compris l'associé de recherche Srowthi Bharadwaja, Doctorat, ont mesuré les performances électriques et piézoélectriques des films minces et comparé les films PMN-PT aux valeurs rapportées d'autres matériaux d'actionneurs micro-usinés pour montrer le potentiel de PMN-PT pour les applications d'actionneurs et de récupération d'énergie.

Dans un article récent de Science, l'équipe a signalé les valeurs les plus élevées de propriétés piézoélectriques pour n'importe quel film mince piézoélectrique à ce jour, et un facteur de mérite deux fois plus élevé que les films PZT les mieux rapportés pour les applications de récupération d'énergie. Cette augmentation de l'activité piézoélectrique effective dans un film mince se traduira par une amélioration spectaculaire des performances. Par exemple, la récupération d'énergie à l'aide de telles couches minces fournira des sources d'alimentation locales pour les nœuds de capteurs sans fil pour les ponts, avion, et potentiellement pour les capteurs du corps humain.

Avec les chercheurs de Penn State et UW-Madison, les institutions participantes comprenaient le National Institute of Standards and Technology (NIST), Université du Michigan, Université de Californie, Berkeley, L'Université de Cornell, et Laboratoire National d'Argonne. Le papier, intitulé « Piézoélectricité géante sur Si pour les MEMS hyperactifs, » paru dans le numéro du 18 novembre de Science . Le travail à Penn State a été soutenu par une bourse de la faculté des sciences et de l'ingénierie de la sécurité nationale. Un autre soutien a été fourni par la National Science Foundation, le ministère de l'Énergie, le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, et une bourse David Lucile Packard.