Os materiais piezoelétricos são usados ​​para aplicações que vão desde o acendedor de faíscas em churrasqueiras até os transdutores necessários para imagens médicas de ultrassom. Piezoelétrica de filme fino, com dimensões na escala de micrômetros ou menores, oferecem potencial para novas aplicações onde dimensões menores ou uma operação de tensão mais baixa são necessárias.

Pesquisadores da Pennsylvania State University demonstraram uma nova técnica para fazer sistemas microeletromecânicos piezoelétricos (MEMS) conectando uma amostra de filmes finos piezoelétricos de titanato de zirconato de chumbo (PZT) a substratos poliméricos flexíveis. A candidata ao doutorado Tianning Liu e seus co-autores relatam seus resultados esta semana no Journal of Applied Physics .

"Há uma rica história de trabalho em filmes finos piezoelétricos, mas os filmes em substratos rígidos têm limitações que vêm do substrato, "disse Thomas N. Jackson, professor da Penn State e um dos autores do artigo. "Este trabalho abre novas áreas para piezoelétricos de película fina que reduzem a dependência do substrato."

Os pesquisadores cultivaram filmes finos de PZT policristalino em um substrato de silício com uma camada de liberação de óxido de zinco, ao qual adicionaram uma fina camada de poliimida. Eles então usaram ácido acético para remover o óxido de zinco, liberar o filme PZT de 1 micrômetro de espessura com a camada de poliimida do substrato de silício. O filme PZT em poliimida é flexível, embora possua propriedades de material aprimoradas em comparação com os filmes crescidos em substratos rígidos.

Dispositivos piezoelétricos dependem da capacidade de algumas substâncias como o PZT de gerar cargas elétricas quando fisicamente deformadas, ou inversamente para deformar quando um campo elétrico é aplicado a eles. O cultivo de filmes PZT de alta qualidade, Contudo, normalmente requer temperaturas superiores a 650 graus Celsius, quase 300 graus mais quente do que a poliimida é capaz de suportar sem se degradar.

A maioria das aplicações atuais de dispositivos piezoelétricos usa materiais a granel, que dificulta a miniaturização, impede uma flexibilidade significativa, e necessita de operação em alta tensão.

"Por exemplo, se você está pensando em colocar um transdutor de ultrassom em um cateter, um filme PZT em um substrato de polímero permitiria que você envolvesse o transdutor em torno da circunferência do cateter, "Liu disse." Isso pode permitir uma miniaturização significativa, e deve fornecer mais informações para o médico. "

O desempenho de muitos filmes finos piezoelétricos tem sido limitado pela fixação do substrato, um fenômeno no qual o substrato rígido restringe o movimento das paredes de domínio do material piezoelétrico e degrada suas propriedades. Algum trabalho foi feito cristalizando PZT em temperaturas que são compatíveis com materiais poliméricos, por exemplo, usando cristalização a laser, mas os resultados até agora levaram a filmes finos porosos e propriedades de material inferiores.

Os filmes finos de poliimida lançados que os pesquisadores desenvolveram tiveram um aumento de 45 por cento na polarização remanescente em relação aos controles de substrato de silício, indicando uma mitigação substancial na fixação do substrato e desempenho aprimorado. Mesmo assim, Liu disse, ainda há muito trabalho a ser feito antes que os dispositivos MEMS de película fina possam competir com os sistemas piezoelétricos em massa.

"Ainda há uma grande lacuna entre colocar PZT em filme fino e em massa, "ela disse." Não é tão grande quanto entre a massa e o substrato, mas também existem coisas como mais defeitos que contribuem para a resposta mais baixa dos materiais de película fina. "