Istraživači iz Osake poboljšali performanse bismut-ferrita koristeći naprezanje na standardnom siliciju

Istraživači sa Osaka Metropolitan University (Japan) razvili su visokoperformantne tankoslojne piezoelektrične filmove bez olova direktno na standardnim silicijskim pločicama, otvarajući put ekološki prihvatljivijoj elektronici. Ovaj proboj, objavljen 19. marta 2026. godine, mogao bi ubrzati proizvodnju uređaja koji prikupljaju energiju, a kompatibilni su sa postojećom poluprovodničkom tehnologijom.

Piezoelektrični materijali proizvode električnu energiju kada su mehanički opterećeni i deformišu se pod električnim poljem. Već se koriste u mikrofonima, zvučnicima i slušalicama. Međutim, najmoćniji piezoelektrični materijali i dalje sadrže olovo, štetan element za okoliš.

Kako bi zamijenili olovo, tim se okrenuo bismut-ferritu (lead-free piezoelectric), prirodno materijalu bez olova. Bismut-ferrit je do sada imao ograničenu efikasnost zbog električnih curenja i niske sposobnosti pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju.

Istraživači su razvili ultratanak film bismut-ferrita dopiran manganom, direktno rastući na silicijskim pločicama. Obično bismut-ferrit loše performira na siliciju, jer silicijske pločice izazivaju rastezno naprezanje, umjesto kompresivnog koje poboljšava piezoelektrična svojstva. Ipak, istraživači su odlučili iskoristiti to rastezno naprezanje kako bi izazvali strukturnu promjenu koja dramatično poboljšava performanse.

Precizno kontrolisanje procesa taloženja ostvareno je metodom „biaxial combinatorial sputtering“, koja omogućava simultano testiranje desetina uvjeta rasta na jednoj pločici. Ova metoda dovela je do strukturne promjene iz romboedarskog u monoklinski kristalni faz, čime je poboljšan piezoelektrični odziv materijala.

Testiranjem u mikroelektromehaničkim uređajima za prikupljanje energije od vibracija, novi filmovi pokazali su petostruko veću efikasnost u pretvaranju energije u odnosu na prethodne dizajne bez olova. Takođe, materijali podnose i kontinuirane i nagle vibracije, što ih čini pogodnim za stvarne uslove rada u motorima i mašinama.

Budući da su filmovi taloženi sputteringom na standardnim silicijskim pločicama, proces je skalabilan za masovnu proizvodnju. Očekuje se primjena u pametnim senzorima, IoT uređajima i samopokretnim uređajima, čime se smanjuje negativan uticaj elektronike na okoliš.

Istraživanje je objavljeno u časopisu Microsystems & Nanoengineering.

Izvor: InterestingIngineering