Les matériaux piézoélectriques sont utilisés pour des applications allant de l'allumeur à étincelles dans les barbecues aux transducteurs nécessaires à l'imagerie médicale par ultrasons. piézoélectrique à couche mince, avec des dimensions à l'échelle du micromètre ou moins, offrent un potentiel pour de nouvelles applications où des dimensions plus petites ou un fonctionnement à plus basse tension sont requis.

Des chercheurs de la Pennsylvania State University ont démontré une nouvelle technique de fabrication de systèmes microélectromécaniques piézoélectriques (MEMS) en connectant un échantillon de films minces piézoélectriques de titanate de zirconate de plomb (PZT) à des substrats polymères flexibles. La doctorante Tianning Liu et ses co-auteurs rapportent leurs résultats cette semaine dans le Journal de physique appliquée .

"Il y a une riche histoire de travail sur les couches minces piézoélectriques, mais les films sur substrats rigides ont des limitations qui viennent du substrat, " a déclaré Thomas N. Jackson, professeur à Penn State et l'un des auteurs de l'article. "Ce travail ouvre de nouveaux domaines pour les piézoélectriques à couche mince qui réduisent la dépendance vis-à-vis du substrat."

Les chercheurs ont fait pousser des couches minces de PZT polycristallin sur un substrat de silicium avec une couche de libération d'oxyde de zinc, auquel ils ont ajouté une fine couche de polyimide. Ils ont ensuite utilisé de l'acide acétique pour éliminer l'oxyde de zinc, libérer le film PZT de 1 micromètre d'épaisseur avec la couche de polyimide du substrat de silicium. Le film PZT sur polyimide est flexible tout en possédant des propriétés matérielles améliorées par rapport aux films développés sur des substrats rigides.

Les dispositifs piézoélectriques reposent sur la capacité de certaines substances comme le PZT à générer des charges électriques lorsqu'elles sont physiquement déformées, ou inversement se déformer lorsqu'un champ électrique leur est appliqué. Faire pousser des films PZT de haute qualité, cependant, nécessite généralement des températures supérieures à 650 degrés Celsius, presque 300 degrés de plus que ce que le polyimide est capable de supporter sans se dégrader.

La plupart des applications de dispositifs piézoélectriques actuelles utilisent des matériaux en vrac, qui entrave la miniaturisation, empêche une flexibilité importante, et nécessite un fonctionnement à haute tension.

"Par exemple, si vous envisagez de mettre un transducteur à ultrasons dans un cathéter, un film PZT sur un substrat polymère permettrait d'enrouler le transducteur autour de la circonférence du cathéter, " a déclaré Liu. " Cela pourrait permettre une miniaturisation importante, et devrait fournir plus d'informations au clinicien.

Les performances de nombreux films minces piézoélectriques ont été limitées par le serrage du substrat, un phénomène dans lequel le substrat rigide contraint le mouvement des parois de domaine du matériau piézoélectrique et dégrade ses propriétés. Certains travaux ont été réalisés sur la cristallisation du PZT à des températures compatibles avec les matériaux polymères, par exemple par cristallisation laser, mais les résultats obtenus jusqu'à présent ont conduit à des films minces poreux et à des propriétés de matériau inférieures.

Les films minces libérés sur polyimide que les chercheurs ont développés ont eu une augmentation de 45 pour cent de la polarisation rémanente par rapport aux contrôles de substrat de silicium, indiquant une atténuation substantielle du serrage du substrat et des performances améliorées. Même à ce moment là, Liu a dit, il reste encore beaucoup de travail avant que les dispositifs MEMS à couche mince ne puissent concurrencer les systèmes piézoélectriques en vrac.

« Il y a toujours un grand écart entre la mise en PZT sur film mince et en vrac, " dit-elle. " Ce n'est pas aussi gros qu'entre le vrac et le substrat, mais il y a aussi des choses comme plus de défauts qui contribuent à la réponse plus faible des matériaux à couche mince."