Ученые из Университета Висконсина совершили прорыв в микротехнологиях, который позволит широко использовать пьезоэлектрические материалы в нано- или микроэлектромеханических устройствах (NEMS и MEMS).

Благодаря интеграции монокристаллического материала с мощными пьезоэлектрическими свойствами и кремниевой подложки появилась возможность изготовить низковольтные почти наноразмерные электромеханические устройства, которые могут совершить революцию в обработке сигналов, коммуникациях, энергетике, сенсорных технологиях, наномеханике и множестве других отраслей.

Пьезоэлектрические материалы используют механическое движение для получения электрического тока. Также возможен и обратный процесс: получение механических колебаний при подаче тока на пьезоэлектрик. Пьезоэлектрические материалы широко применяются для генерации высокочастотных звуковых или ультразвуковых волн, например, в аппаратах УЗИ.

Рис. 1. Пьезоэлектрические микроустройства найдут широкое применение в самых разных областях науки и техники.

Ученые из Университета Висконсина исследовали пьезоэлектрический материал ниобат свинца-магния – титанат свинца (PMN-PT). Этот материал обладает чрезвычайно мощным пьезоэлектрическим эффектом, что позволяет создать сильные механические колебания при относительно небольшом электрическом напряжении. Материалы вроде PMN-PT, в частности, используются для трехмерной ультразвуковой диагностики высокого разрешения.

Использование таких материалов в микромеханических устройствах очень перспективно, но сегодня существуют серьезные ограничения в технологии производства, которые мешают применить уникальные свойства PMN-PT. Так, обычно для создания микроскопических пьезоэлектрических устройств приходится выполнять «огранку» сыпучего материала, чтобы придать крупинкам пьезоэлектрика желаемую форму. Это неточный, подверженный ошибкам процесс, который не подходит для высокоточного изготовления наноэлектромеханических или микроэлектромеханических систем.

С помощью микромасштабного технологического процесса, похожего на те, что используются в электронике, команда ученых смогла, наконец, решить проблему сверхточной интеграции PMN-PT на кремниевую подложку. Из-за потенциальной химической реакции между компонентами пришлось выкладывать из атомов сложные структуры: на кремний наносится свехтонкий слой титаната стронция, который выступает в качестве шаблона и повторяет структуру кремния. Затем идет слой рутената стронция (электрод), и только затем – PMN-PT.

Устройства на основе новой технологии смогут значительно улучшить процессы обработки сигналов, медицинскую визуализацию, снизить энергопотребление и увеличить скорость датчиков, а также позволят сверхточно позиционировать микроприводы и другие сверхмалые устройства.