p (PhysOrg.com) - Integrando um complexo, material de cristal único com propriedades piezoelétricas "gigantes" em silício, Engenheiros e físicos da Universidade de Wisconsin-Madison podem fabricar baixa voltagem, dispositivos eletromecânicos próximos à nanoescala que podem levar a melhorias na imagem 3-D de alta resolução, processamento de sinal, comunicações, colheita de energia, de detecção, e atuadores para dispositivos de nanoposicionamento, entre outros. p Liderado por Chang-Beom Eom, um professor de ciência dos materiais e engenharia e física da UW-Madison, a equipe multi-institucional publicou seus resultados em 18 de novembro, edição do jornal Ciência . (Eom e seus alunos também são co-autores em outro artigo, "Dinâmica de domínio durante a comutação ferroelétrica, "publicado na mesma edição.)

p Materiais piezoelétricos usam movimento mecânico para gerar um sinal elétrico, como a luz que pisca nos saltos dos sapatos de algumas crianças quando elas batem os pés. Por outro lado, piezoelétricos também podem usar um sinal elétrico para gerar movimento mecânico - por exemplo, materiais piezoelétricos são usados ​​para gerar ondas acústicas de alta frequência para imagens de ultrassom.

p Eom estuda o titanato de chumbo-niobato de magnésio de chumbo avançado de material piezoelétrico, ou PMN-PT. Esses materiais exibem uma resposta piezoelétrica "gigante" que pode proporcionar um deslocamento mecânico muito maior com a mesma quantidade de campo elétrico que os materiais piezoelétricos tradicionais. Eles também podem atuar como atuadores e sensores. Por exemplo, eles usam eletricidade para fornecer uma onda de ultrassom que penetra profundamente no corpo e retorna dados capazes de exibir uma imagem 3D de alta qualidade.

p Atualmente, uma das principais limitações desses materiais avançados é incorporá-los em dispositivos de muito pequena escala, pesquisadores começam com um material a granel e moem, corte e dê polimento no tamanho que desejar. É um impreciso, processo sujeito a erros que é intrinsecamente inadequado para sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) ou sistemas microeletromecânicos (MEMS).

p Até agora, a complexidade do PMN-PT frustrou os esforços dos pesquisadores para desenvolver técnicas reproduzíveis de fabricação em microescala.

p Aplicação de técnicas de fabricação em microescala, como as usadas na eletrônica de computadores, A equipe de Eom superou essa barreira. Ele e seus colegas trabalharam desde o início para integrar o PMN-PT perfeitamente ao silício. Por causa das reações químicas potenciais entre os componentes, eles organizaram materiais em camadas e planejaram cuidadosamente a localização dos átomos individuais. "Você tem que estabelecer o elemento certo primeiro, "diz Eom.

p Em uma plataforma de silício ", "sua equipe adiciona uma camada muito fina de titanato de estrôncio, que atua como um modelo e imita a estrutura do silício. Em seguida, vem uma camada de rutenato de estrôncio, um eletrodo Eom desenvolvido há alguns anos, e finalmente, o material piezoelétrico de cristal único PMN-PT.

p Os pesquisadores caracterizaram a resposta piezoelétrica do material, que se correlaciona com as previsões teóricas. "As propriedades do cristal único que integramos no silício são tão boas quanto as do cristal único em massa, "diz Eom.

p Sua equipe chama os dispositivos fabricados desse material piezoelétrico gigante de "MEMS hiperativos" por seu potencial de oferecer aos pesquisadores um alto nível de controle ativo. Usando o material, sua equipe também desenvolveu um processo para a fabricação de MEMS piezoelétricos. Aplicado no processamento de sinais, comunicações, imagens médicas e atuadores de nanoposicionamento, dispositivos MEMS hiperativos podem reduzir o consumo de energia e aumentar a velocidade do atuador e a sensibilidade do sensor. Adicionalmente, por meio de um processo chamado coleta de energia, dispositivos MEMS hiperativos podem converter energia de fontes como vibrações mecânicas em eletricidade que alimenta outros pequenos dispositivos, por exemplo, para comunicação sem fio.

p A National Science Foundation está financiando a pesquisa por meio de um período de quatro anos, Concessão de US $ 1,35 milhão da NIRT. Na UW-Madison, os membros da equipe incluem Lynn H. Matthias, Professor de Engenharia Elétrica e de Computação, Robert Blick, e o Professor de Física Mark Rzchowski. Outros colaboradores incluem pessoas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, Pennsylvania State University, a Universidade de Michigan, Laboratório Nacional de Argonne, a Universidade da Califórnia em Berkeley, e Cornell University.