Premier dépôt de surface 2-D à grande échelle de matériau piézoélectrique - Simple, une technique peu coûteuse ouvre de nouveaux champs pour les capteurs piézo et la récupération d'énergie

Les chercheurs ont développé une méthode révolutionnaire pour « imprimer » des feuilles à grande échelle de matériau piézoélectrique bidimensionnel, ouvrant de nouvelles opportunités pour les capteurs piézo et la récupération d'énergie.

Surtout, le procédé peu coûteux permet l'intégration de composants piézoélectriques directement sur des puces de silicium.

Jusqu'à maintenant, aucun matériau piézoélectrique 2-D n'a été fabriqué en grandes feuilles, rendant impossible l'intégration dans des puces de silicium ou l'utilisation dans la fabrication de surfaces à grande échelle.

Cette limitation signifiait que les dispositifs d'accéléromètre piézoélectriques, tels que les déclencheurs d'airbag de véhicule ou les dispositifs qui reconnaissent les changements d'orientation dans les téléphones portables, ont nécessité des composants coûteux à noyer sur des substrats de silicium, ajoutant des coûts de fabrication importants.

Maintenant, Les chercheurs de FLEET de l'Université RMIT de Melbourne ont démontré une méthode pour produire des feuilles de phosphate de gallium 2-D à grande échelle, permettant de former ce matériau à grande échelle à faible coût, procédés de fabrication à basse température sur substrats silicium, ou toute autre surface.

Phosphate de gallium (GaPO 4 ) est un matériau piézoélectrique important couramment utilisé dans les capteurs de pression et la mesure de masse à l'échelle du microgramme, en particulier dans des températures élevées ou d'autres environnements difficiles.

"Comme souvent en science, ce travail s'appuie sur les succès passés, " explique le chercheur principal, le professeur Kourosh Kalantar-zadeh. " Nous avons adopté la technique de dépôt de métal liquide que nous avons développée récemment pour créer des films 2D de GaPO 4 par un simple, processus en deux étapes."

Professeur Kalantar-zadeh, maintenant professeur de génie chimique à l'UNSW, a dirigé l'équipe qui a développé la nouvelle méthode alors qu'il était professeur d'ingénierie électronique à l'Université RMIT. Le travail s'est concrétisé grâce à la contribution importante du Dr Torben Daeneke du RMIT et à la persistance et à la concentration extrêmes du premier auteur du travail, doctorat chercheur Nitu Syed.

La nouvelle méthode révolutionnaire permet facilement, croissance peu coûteuse de grande surface (plusieurs centimètres), large bande interdite, GaPO 2D 4 nanofeuillets d'épaisseur de cellule unitaire.

C'est la première démonstration de force, piézoélectricité hors plan du matériau piézoélectrique populaire.

Le processus en deux étapes

1. Exfolier l'oxyde de gallium auto-limitant de la surface du gallium liquide rendu possible par le manque d'affinité entre l'oxyde et la masse du métal liquide
2. « Imprimez » ce film sur un substrat et transformez-le en GaPO 2D 4 par exposition aux vapeurs de phosphate.

Applications

Le nouveau processus est simple, évolutif, basse température et économique, élargissant considérablement la gamme de matériaux disponibles pour l'industrie à de telles échelles et qualité.

Le procédé convient à la synthèse de GaPO autonome 4 nanofeuillets. La méthode de synthèse à basse température est compatible avec une variété de procédures de fabrication de dispositifs électroniques, offrant une voie pour le développement de futurs matériaux piézoélectriques 2-D.

Ce simple, Une procédure compatible avec l'industrie pour imprimer des films piézoélectriques 2-D de grande surface sur n'importe quel substrat offre d'énormes opportunités pour le développement de capteurs piézoélectriques et de récupérateurs d'énergie.

Matériaux piézoélectriques

Ce sont des matériaux qui peuvent convertir une force ou une contrainte mécanique appliquée en énergie électrique. De tels matériaux constituent la base des capteurs de son et de pression, dispositifs embarqués alimentés par vibration ou flexion, et même le simple briquet « piezo » utilisé pour les barbecues à gaz et les cuisinières.

Les matériaux piézoélectriques peuvent également tirer parti des faibles tensions générées par un petit déplacement mécanique, vibration, se plier ou s'étirer pour alimenter des appareils miniaturisés.

Le matériau :Phosphate de Gallium (GaPO 4 )

Le phosphate de gallium est un cristal de type quartz utilisé dans les applications piézoélectriques telles que les capteurs de pression depuis la fin des années 1980, et particulièrement apprécié dans les applications à haute température. Parce qu'il ne cristallise pas naturellement dans une structure stratifiée et ne peut donc pas être exfolié à l'aide de méthodes conventionnelles, son utilisation à ce jour a été limitée aux applications qui reposent sur la sculpture du cristal dans sa masse.