Structure en porte-à-faux hyperactive micro-usinée incorporant le matériau à réponse piézo-électrique géant PMN-PT. La réponse piézoélectrique géante basse tension induit un mouvement mécanique (PMN-PT) du porte-à-faux micro-usiné. Dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir du coin supérieur gauche :1) Structure schématique des couches montrant la base de silicium, électrodes supérieures et inférieures métalliques, et PMN-PT actif. 2) Image au microscope électronique à balayage en fausses couleurs du porte-à-faux terminé. 3) Image au microscope électronique à transmission montrant la structure de la couche. 4) Image au microscope électronique à transmission haute résolution montrant l'arrangement atomique parfait de la couche PMN-PT à réponse piézo-électrique géante et de l'électrode métallique inférieure SrRuO3.
(PhysOrg.com) -- Intégrer un complexe, matériau monocristallin à propriétés piézoélectriques « géantes » sur silicium, Les ingénieurs et physiciens de l'Université du Wisconsin-Madison peuvent fabriquer de la basse tension, des dispositifs électromécaniques proches de l'échelle nanométrique qui pourraient conduire à des améliorations de l'imagerie 3D haute résolution, traitement de signal, communication, récupération d'énergie, sentir, et actionneurs pour dispositifs de nanopositionnement, entre autres.
Dirigé par Chang-Beom Eom, un professeur UW-Madison de science et ingénierie des matériaux et de physique, l'équipe multi-institutionnelle a publié ses résultats dans le 18 novembre, numéro de la revue Science . (Eom et ses étudiants sont également co-auteurs d'un autre article, "La dynamique du domaine lors de la commutation ferroélectrique, " publié dans le même numéro.)
Les matériaux piézoélectriques utilisent un mouvement mécanique pour générer un signal électrique, comme la lumière qui clignote dans les talons des chaussures de certains enfants lorsqu'ils tapent du pied. Inversement, les piézoélectriques peuvent également utiliser un signal électrique pour générer un mouvement mécanique, par exemple, des matériaux piézoélectriques sont utilisés pour générer des ondes acoustiques à haute fréquence pour l'imagerie par ultrasons.
Eom étudie le matériau piézoélectrique avancé, le niobate de magnésium et le titanate de plomb, ou PMN-PT. De tels matériaux présentent une réponse piézoélectrique "géante" qui peut fournir un déplacement mécanique beaucoup plus important avec la même quantité de champ électrique que les matériaux piézoélectriques traditionnels. Ils peuvent également servir à la fois d'actionneurs et de capteurs. Par exemple, ils utilisent l'électricité pour délivrer une onde ultrasonore qui pénètre profondément dans le corps et renvoie des données capables d'afficher une image 3D de haute qualité.
Actuellement, une limitation majeure de ces matériaux avancés est celle de les incorporer dans des dispositifs à très petite échelle, les chercheurs commencent avec un matériau en vrac et broient, le couper et le polir à la taille qu'ils désirent. C'est une imprécision, processus sujet aux erreurs qui est intrinsèquement mal adapté aux systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) ou aux systèmes microélectromécaniques (MEMS).
Jusqu'à maintenant, la complexité de PMN-PT a contrecarré les efforts des chercheurs pour développer des techniques de fabrication reproductibles à l'échelle microscopique.
Appliquer des techniques de fabrication à l'échelle microscopique telles que celles utilisées en électronique informatique, L'équipe d'Eom a surmonté cet obstacle. Lui et ses collègues ont travaillé de A à Z pour intégrer le PMN-PT de manière transparente sur le silicium. En raison des réactions chimiques potentielles entre les composants, ils ont superposé des matériaux et planifié avec soin l'emplacement des atomes individuels. "Il faut d'abord poser le bon élément, " dit Eom.
Sur une "plate-forme" en silicium, " son équipe ajoute une très fine couche de titanate de strontium, qui agit comme un modèle et imite la structure du silicium. Vient ensuite une couche de ruthénate de strontium, une électrode Eom développée il y a quelques années, et enfin, le matériau piézoélectrique monocristallin PMN-PT.
Les chercheurs ont caractérisé la réponse piézoélectrique du matériau, ce qui correspond aux prédictions théoriques. "Les propriétés du monocristal que nous avons intégré sur silicium sont aussi bonnes que celles du monocristal massif, " dit Eom.
Son équipe appelle les dispositifs fabriqués à partir de ce matériau piézoélectrique géant « MEMS hyperactif » pour leur potentiel à offrir aux chercheurs un niveau élevé de contrôle actif. En utilisant le matériel, son équipe a également développé un procédé de fabrication de MEMS piézoélectriques. Appliqué au traitement du signal, communication, actionneurs d'imagerie médicale et de nanopositionnement, Les dispositifs MEMS hyperactifs pourraient réduire la consommation d'énergie et augmenter la vitesse de l'actionneur et la sensibilité du capteur. En outre, grâce à un processus appelé récupération d'énergie, Les appareils MEMS hyperactifs pourraient convertir l'énergie de sources telles que les vibrations mécaniques en électricité qui alimente d'autres petits appareils, par exemple, pour la communication sans fil.
La National Science Foundation finance la recherche via une période de quatre ans, Subvention NIRT de 1,35 million de dollars. Chez UW-Madison, les membres de l'équipe comprennent le professeur Lynn H. Matthias en génie électrique et informatique, le professeur Robert Blick et le professeur de physique Mark Rzchowski. Les autres collaborateurs comprennent des personnes de l'Institut national des normes et de la technologie, Université d'État de Pennsylvanie, l'Université du Michigan, Laboratoire National d'Argonne, l'Université de Californie à Berkeley, et l'Université Cornell.
