Исследователи из Университета штата Пенсильвания продемонстрировали новую технику создания пьезоэлектрических микроэлектромеханических систем (МЭМС) путем соединения образца тонких пьезоэлектрических пленок из цирконата-титаната свинца (PZT) с гибкими полимерными подложками. Докторант Тяньнин Лю и ее соавторы сообщают о своих результатах на этой неделе в Журнале прикладной физики от AIP Publishing.
«Существует богатая история работы над тонкими пьезоэлектрическими пленками, но пленки на жестких подложках имеют ограничения, связанные с подложкой», — сказал Томас Н. Джексон, профессор Пенсильванского университета и один из авторов статьи. «Эта работа открывает новые области для тонкопленочных пьезоэлектриков, которые снижают зависимость от подложки».Исследователи вырастили тонкие поликристаллические пленки PZT на кремниевой подложке с разделительным слоем оксида цинка, к которому они добавили тонкий слой полиимида. Затем они использовали уксусную кислоту для травления оксида цинка, освободив пленку PZT толщиной 1 микрометр с полиимидным слоем с кремниевой подложки.
Пленка PZT на полиимиде является гибкой и обладает улучшенными свойствами материала по сравнению с пленками, выращенными на жестких подложках.Пьезоэлектрические устройства полагаются на способность некоторых веществ, таких как PZT, генерировать электрические заряды при физической деформации или, наоборот, деформироваться при приложении к ним электрического поля. Однако для выращивания высококачественных пленок PZT обычно требуются температуры, превышающие 650 градусов по Цельсию, что почти на 300 градусов выше, чем то, что полиимид способен выдерживать без разрушения.В большинстве современных пьезоэлектрических устройств используются сыпучие материалы, что затрудняет миниатюризацию, исключает значительную гибкость и требует работы под высоким напряжением.
«Например, если вы собираетесь поместить ультразвуковой датчик в катетер, пленка PZT на полимерной подложке позволит вам обернуть датчик по окружности катетера», — сказал Лю. «Это могло бы позволить значительную миниатюризацию и предоставить больше информации для клинициста».Характеристики многих тонких пьезоэлектрических пленок ограничены зажимом подложки, явлением, при котором жесткая подложка ограничивает движение доменных стенок пьезоэлектрического материала и ухудшает его свойства. Была проделана некоторая работа по кристаллизации PZT при температурах, совместимых с полимерными материалами, например, с использованием лазерной кристаллизации, но до сих пор результаты привели к пористым тонким пленкам и ухудшению свойств материала.
Освобожденные тонкие пленки на полиимиде, которые разработали исследователи, имели на 45 процентов увеличение остаточной поляризации по сравнению с контрольными кремниевыми подложками, что свидетельствует о существенном уменьшении зажима подложки и улучшенных характеристиках. Даже в этом случае, по словам Лю, предстоит еще много работы, прежде чем тонкопленочные МЭМС-устройства смогут составить конкуренцию объемным пьезоэлектрическим системам.
«По-прежнему существует большой разрыв между нанесением PZT на тонкую пленку и массу», — сказала она. «Он не такой большой, как между массой и подложкой, но есть такие вещи, как большее количество дефектов, которые способствуют более низкому отклику тонкопленочных материалов».