Um avanço na tecnologia de fabricação melhorou muito a qualidade do material e o desempenho de filmes finos de um material 'piezoelétrico' sem chumbo. Este desenvolvimento por pesquisadores A * STAR promete desbloquear uma alternativa sem chumbo para o padrão de titanato de zircão de chumbo (PZT).

Piezoelétricos são materiais notáveis ​​que se deformam com a aplicação de um campo elétrico e, por outro lado, produzir uma corrente elétrica quando comprimido. Eles são usados ​​em muitas aplicações eletrônicas, inclusive como atuadores eletromecânicos e como sensores de deformação e aceleração. Filmes finos de materiais piezoelétricos também estão sendo integrados em circuitos e dispositivos de sistemas microeletromecânicos (MEMS).

Por décadas, PZT foi o material piezoelétrico de escolha, uma vez que ofereceu o grau de deformação ou sensibilidade necessária para aplicações práticas. Contudo, PZT contém 60 por cento de chumbo - um metal tóxico, que embora uma vez comumente usado em eletrônicos, foi banido.

Um material alternativo, que é baseado em uma composição de potássio-sódio-niobato e é conhecido como KNN, está sendo usado como um substituto para o PZT em muitas aplicações em massa. No entanto, filmes finos de KNN são problemáticos porque estão sujeitos a uma quebra do controle de composição e da ordenação atômica necessária para produzir o efeito piezoelétrico.

Agora, Kui Yao e colegas do Instituto A * STAR de Pesquisa e Engenharia de Materiais, em colaboração com pesquisadores da National University of Singapore, mostraram que um método de fabricação baseado em solução usando um coquetel cuidadosamente formulado de agentes químicos pode produzir filmes finos de KNN com um desempenho piezoelétrico comparável ao PZT.

"Tem sido um desafio alcançar excelentes propriedades piezoelétricas em filmes finos à base de KNN porque as condições de fase necessárias para o efeito piezoelétrico dependem muito sensivelmente da composição, "explica Yao." Em KNN, tem sido difícil suprimir a perda de elementos voláteis necessários para essas condições. "

Yao e sua equipe superaram esse problema adicionando uma mistura de agentes estabilizadores químicos - refinados ao longo de mais de dez anos de pesquisa - à solução precursora usada para preparar os filmes finos KNN. As interações entre os íons alcalinos voláteis em solução e o agente estabilizador suprimiram a volatilização, permitindo que as composições dos filmes resultantes sejam bem controladas.

"Com a composição do filme sob controle, fomos capazes de estudar as transições de fase no material e sua dependência da composição química e da tensão nos filmes finos à base de KNN, "diz Yao.

Por meio de medições a laser combinadas com análises teóricas de simulações de primeiros princípios, a equipe confirmou que o desempenho de seus filmes piezoelétricos os torna uma alternativa viável sem chumbo ao PZT.