Les chercheurs du MIT ont développé une méthode simple, méthode peu coûteuse pour imprimer en 3D des films ultrafins aux propriétés « piézoélectriques » très performantes, qui pourraient être utilisés pour des composants électroniques flexibles ou des biocapteurs hautement sensibles.

Les matériaux piézoélectriques produisent une tension en réponse à une contrainte physique, et ils répondent à une tension en se déformant physiquement. Ils sont couramment utilisés pour les transducteurs, qui convertissent l'énergie d'une forme en une autre. Actionneurs robotisés, par exemple, utiliser des matériaux piézoélectriques pour déplacer des joints et des pièces en réponse à un signal électrique. Et divers capteurs utilisent les matériaux pour convertir les changements de pression, Température, Obliger, et d'autres stimuli physiques, en un signal électrique mesurable.

Les chercheurs tentent depuis des années de développer des films ultraminces piézoélectriques pouvant être utilisés comme récupérateurs d'énergie, capteurs de pression sensibles pour écrans tactiles, et d'autres composants de l'électronique flexible. Les films pourraient également être utilisés comme de minuscules biocapteurs suffisamment sensibles pour détecter la présence de molécules qui sont des biomarqueurs de certaines maladies et affections.

Le matériau de choix pour ces applications est souvent un type de céramique avec une structure cristalline qui résonne à hautes fréquences en raison de son extrême finesse. (Des fréquences plus élevées se traduisent essentiellement par des vitesses plus rapides et une sensibilité plus élevée.) Mais, avec des techniques de fabrication traditionnelles, la création de films céramiques ultrafins est un processus complexe et coûteux.

Dans un article récemment publié dans la revue Matériaux appliqués et interfaces , les chercheurs du MIT décrivent un moyen d'imprimer en 3D des transducteurs en céramique d'environ 100 nanomètres d'épaisseur en adaptant une technique de fabrication additive pour le processus qui construit des objets couche par couche, à température ambiante. Les films peuvent être imprimés sur des substrats souples sans perte de performances, et peut résonner à environ 5 gigahertz, ce qui est suffisamment élevé pour des biocapteurs haute performance.

« La fabrication de composants transducteurs est au cœur de la révolution technologique, " dit Luis Fernando Velaśquez-García, chercheur au Microsystems Technology Laboratories (MTL) du Département de génie électrique et informatique. "Jusqu'à maintenant, on pense que les matériaux de transduction imprimés en 3D auront de mauvaises performances. Mais nous avons développé une méthode de fabrication additive pour les transducteurs piézoélectriques à température ambiante, et les matériaux oscillent à des fréquences de niveau gigahertz, ce qui est des ordres de grandeur plus élevés que tout ce qui était auparavant fabriqué par impression 3D. »

La première auteure Brenda García-Farrera de MTL et de l'Institut de technologie et d'enseignement supérieur de Monterrey au Mexique rejoint Velaśquez-García sur le papier.

Nanoparticules d'électropulvérisation

Films minces piézoélectriques en céramique, en nitrure d'aluminium ou en oxyde de zinc, peut être fabriqué par dépôt physique en phase vapeur et dépôt chimique en phase vapeur. Mais ces processus doivent être effectués dans des salles blanches stériles, dans des conditions de haute température et de vide poussé. Cela peut prendre beaucoup de temps, processus coûteux.

Il existe des films minces piézoélectriques imprimés en 3D à moindre coût. Mais ceux-ci sont fabriqués avec des polymères, qui doivent être "pôlés", ce qui signifie qu'ils doivent recevoir des propriétés piézoélectriques après leur impression. De plus, ces matériaux finissent généralement par des dizaines de microns d'épaisseur et ne peuvent donc pas être transformés en films ultrafins capables d'actionnement à haute fréquence.

Le système des chercheurs adapte une technique de fabrication additive, appelé dépôt électrohydrodynamique en champ proche (NFEHD), qui utilise des champs électriques élevés pour éjecter un jet de liquide à travers une buse pour imprimer un film ultrafin. Jusqu'à maintenant, la technique n'a pas été utilisée pour imprimer des films à propriétés piézoélectriques.

La matière première liquide des chercheurs (matière première utilisée en impression 3D) contient des nanoparticules d'oxyde de zinc mélangées à des solvants inertes, qui forme un matériau piézoélectrique lorsqu'il est imprimé sur un substrat et séché. La matière première est alimentée à travers une aiguille creuse dans une imprimante 3D. Au fur et à mesure qu'il s'imprime, les chercheurs appliquent une tension de polarisation spécifique à la pointe de l'aiguille et contrôlent le débit, provoquant la formation du ménisque - la courbe vue au sommet d'un liquide - en une forme de cône qui éjecte un jet fin de son extrémité.

Le jet est naturellement incliné pour se briser en gouttelettes. Mais lorsque les chercheurs rapprochent la pointe de l'aiguille du substrat (environ un millimètre), le jet ne se brise pas. Ce processus imprime longtemps, lignes étroites sur un substrat. Ils chevauchent ensuite les lignes et les sèchent à environ 76 degrés Fahrenheit, la tête en bas.

L'impression du film précisément de cette façon crée un film ultramince de structure cristalline avec des propriétés piézoélectriques qui résonnent à environ 5 gigahertz. "Si quelque chose de ce processus manque, ça ne marche pas, " dit Velaśquez-García.

En utilisant les techniques de microscopie, l'équipe a pu prouver que les films ont une réponse piézoélectrique beaucoup plus forte, c'est-à-dire le signal mesurable qu'il émet, que les films fabriqués selon les méthodes traditionnelles de fabrication en vrac. Ces méthodes ne contrôlent pas vraiment la direction de l'axe piézoélectrique du film, qui détermine la réponse du matériau. "C'était un peu surprenant, " Velaśquez-García dit. "Dans ces matériaux en vrac, ils peuvent avoir des inefficacités dans la structure qui affectent la performance. Mais quand vous pouvez manipuler des matériaux à l'échelle nanométrique, vous obtenez une réponse piézoélectrique plus forte."

Capteurs à bas prix

Parce que les films ultraminces piézoélectriques sont imprimés en 3D et résonnent à très hautes fréquences, ils peuvent être exploités pour fabriquer à faible coût, capteurs très sensibles. Les chercheurs travaillent actuellement avec des collègues de Monterrey Tec dans le cadre d'un programme collaboratif en nanosciences et nanotechnologies, fabriquer des biocapteurs piézoélectriques pour détecter des biomarqueurs de certaines maladies et affections.

Un circuit résonant est intégré à ces biocapteurs, qui fait osciller le film ultramince piézoélectrique à une fréquence spécifique, et le matériau piézoélectrique peut être fonctionnalisé pour attirer certains biomarqueurs moléculaires à sa surface. Lorsque les molécules collent à la surface, il amène le matériau piézoélectrique à décaler légèrement les oscillations de fréquence du circuit. Ce petit décalage de fréquence peut être mesuré et corrélé à une certaine quantité de molécule qui s'accumule à sa surface.

Les chercheurs développent également un capteur pour mesurer la désintégration des électrodes dans les piles à combustible. Cela fonctionnerait de la même manière que le biocapteur, mais les décalages de fréquence seraient corrélés à la dégradation d'un certain alliage dans les électrodes. "Nous fabriquons des capteurs capables de diagnostiquer la santé des piles à combustible, pour voir s'ils doivent être remplacés, " Velaśquez-García dit. "Si vous évaluez la santé de ces systèmes en temps réel, vous pouvez décider quand les remplacer, avant que quelque chose de grave n'arrive."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.