p (PhysOrg.com) - Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de “infiltração de molde suave” para a fabricação de nanotubos ferroelétricos piezoeletricamente ativos autônomos e outras nanoestruturas de PZT - um material que é atraente por causa de sua grande resposta piezoelétrica. Desenvolvido no Georgia Institute of Technology, a técnica permite a fabricação de nanoestruturas ferroelétricas com formas definidas pelo usuário, localização e variação de padrão no mesmo substrato. p As estruturas resultantes, que têm 100 a 200 nanômetros de diâmetro externo com espessura variando de 5 a 25 nanômetros, mostram uma resposta piezoelétrica comparável àquela de filmes finos de PZT de dimensões muito maiores. A técnica pode levar à produção de cristais fotônicos e fonônicos ativamente sintonizáveis, emissores terahertz, coletores de energia, micromotores, microbombas e sensores nanoeletromecânicos, atuadores e transdutores - todos feitos de material PZT.

p Usando uma nova técnica de caracterização desenvolvida no Oak Ridge National Laboratory, os pesquisadores, pela primeira vez, fizeram medições in-situ de alta precisão das propriedades piezoelétricas em nanoescala das estruturas.

p “Estamos usando um novo método de nanofabricação para criar nanoestruturas tridimensionais com altas taxas de aspecto em materiais ferroelétricos que têm propriedades piezoelétricas atraentes, ”Disse Nazanin Bassiri-Gharb, professor assistente na Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. “Também aproveitamos um novo método de caracterização disponível em Oak Ridge para estudar a resposta piezoelétrica dessas nanoestruturas no substrato onde foram produzidas.”

p A pesquisa foi publicada online em 26 de janeiro de 2012, e está programada para publicação na edição impressa (Vol. 24, Edição 9) da revista Materiais avançados . A pesquisa foi apoiada pelos novos fundos de inicialização do corpo docente da Georgia Tech.

p Materiais ferroelétricos em escala nanométrica são promissores para uma ampla gama de aplicações, mas processá-los em dispositivos úteis tem se mostrado um desafio - apesar do sucesso na produção de tais dispositivos na escala de micrômetro. Técnicas de fabricação de cima para baixo, como moagem de feixe de íons focalizado, permitem a definição precisa de dispositivos em escala nanométrica, mas o processo pode induzir danos à superfície que degrada as propriedades ferroelétricas e piezoelétricas que tornam o material interessante.

p Até agora, As técnicas de fabricação de baixo para cima têm sido incapazes de produzir estruturas com relações de aspecto altas e controle preciso sobre a localização. A técnica relatada pelos pesquisadores da Georgia Tech permite a produção de nanotubos feitos de PZT (PbZr0.52Ti0.48O3) com proporções de até 5 para 1.

p “Essa técnica nos dá um grau de controle sobre o processo tridimensional que não tínhamos antes, ”Disse Bassiri-Gharb. “Quando fizemos a caracterização, vimos um efeito de tamanho que até agora tinha sido observado apenas em filmes finos deste material em escalas de tamanho muito maiores. ”

p Os nanotubos ferroelétricos são especialmente interessantes porque suas propriedades - incluindo tamanho, forma, Respostas ópticas e características dielétricas - podem ser controladas por forças externas mesmo depois de fabricadas.

p “Estes são materiais realmente inteligentes, o que significa que eles respondem a estímulos externos, como campos elétricos aplicados, campos térmicos ou campos de estresse, ”Disse Bassiri-Gharb. “Você pode ajustá-los para se comportarem de maneira diferente. Dispositivos feitos com esses materiais podem ser ajustados para responder a um comprimento de onda diferente ou para emitir em um comprimento de onda diferente durante a operação. ”

p Por exemplo, o efeito piezoelétrico poderia permitir a fabricação de tubos “nanomusculares” que atuariam como minúsculas bombas quando um campo elétrico fosse aplicado a eles. Os campos também podem ser usados ​​para ajustar as propriedades dos cristais fotônicos, ou para criar estruturas cujo tamanho pode ser ligeiramente alterado para absorver energia eletromagnética de diferentes comprimentos de onda.

p Na fabricação de nanotubos, Bassiri-Gharb e o estudante de graduação Ashley Bernal (atualmente professor assistente no Instituto de Tecnologia Rose-Hulman) começaram com um substrato de silício e revestiram com spin um material resistente de feixe de elétrons negativo sobre ele. Um modelo foi criado usando litografia de feixe de elétrons, e uma fina camada de óxido de alumínio foi adicionada em cima usando a deposição de camada atômica.

p Próximo, o molde foi imerso sob vácuo em um banho de ultrassom contendo uma solução química precursora para PZT. As estruturas foram pirolisadas a 300 graus Celsius, em seguida, recozido em um processo de tratamento térmico de duas etapas a 600 e 800 graus Celsius para cristalizar o material e decompor o substrato de polímero. O processo produziu nanotubos PZT autônomos conectados por uma fina camada de óxido de alumínio original. Aumentar a quantidade de infiltração química permite a produção de nanobastões ou nanofios sólidos em vez de nanotubos ocos.

p Embora os pesquisadores usaram litografia de feixe de elétrons para criar o modelo no qual as estruturas foram cultivadas, em princípio, muitos outros produtos químicos, técnicas de padronização óptica ou mecânica podem ser usadas para criar os modelos, Bassiri-Gharb anotado.

p Em estudos feitos em colaboração com os pesquisadores Sergei Kalinin e Alexander Tselev, do Center for Nanophase Materials Sciences do Oak Ridge National Laboratory, os dispositivos produzidos pelo processo de molde suave foram analisados ​​com microscopia de força piezoresposta por excitação de banda (BPFM). A técnica permitiu aos pesquisadores isolar as propriedades da ponta de AFM daquelas da amostra PZT, permitindo uma análise em detalhes suficientes para detectar os efeitos piezoelétricos em escala de tamanho.

p “Uma das nossas observações mais importantes é que esses nanomateriais piezoelétricos nos permitem gerar um fator de quatro a seis de aumento na resposta piezoelétrica extrínseca em comparação com o uso de filmes finos, ”Disse Baassiri-Gharb. “Isso seria uma grande vantagem em termos de fabricação, porque significa que poderíamos obter a mesma resposta de estruturas muito menores do que teríamos que usar de outra forma”.