Исследователи Массачусетского технологического института разработали простой, недорогой метод для 3-D печати сверхтонких пленок с высокой производительностью “пьезоэлектрик” свойства, которые могут быть использованы для компонентов гибкой электроники или высокочувствительные биосенсоры.
Пьезоэлектрические материалы вырабатывают напряжение в ответ на физическую нагрузку, и они реагируют на напряжения путем физической деформации. Они обычно используются для преобразователей, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Роботизированные приводы, например, использование пьезоэлектрических материалов для перемещения суставов и частей в ответ на электрический сигнал. И различных датчиков использовать материалы для преобразования изменения давления, температуры, силы и других физических раздражителей, в измеримый электрический сигнал.
Исследователи годами пытались разработать пьезоэлектрический сверхтонких пленок, которые могут быть использованы как комбайны энергии, чувствительные датчики давления для сенсорных экранов и других компонентов гибкой электроники. Фильмы также могут быть использованы как крошечные биосенсоры, которые достаточно чувствительны, чтобы обнаружить присутствие молекул, которые являются биомаркерами для определенных заболеваний и состояний.
Материал выбора для этих приложений часто типа керамики с кристаллическая структура, которая резонирует на высоких частотах из-за ее чрезмерной худобы. (Высокие частоты, в основном, переводят на более высоких скоростях и более высокую чувствительность.) Но, традиционные методы изготовления, создания керамических сверхтонких пленок является сложным и дорогостоящим процессом.
В статье, недавно опубликованной в журнале применяемых материалов и интерфейсов, исследователи Массачусетского технологического института описывают способ 3-D печати керамические датчики около 100 нанометров тонкий, адаптируя метод аддитивного производства для процесса, который строит объекты слой за слоем, при комнатной температуре. Фильмы могут быть напечатаны на гибких подложках без потери в производительности, и может резонировать на отметке 5 ГГц, которая является достаточно высокой для высокоэффективных биосенсоров.
“Создание компонентов преобразователя лежит в основе научно-технической революции”, — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, исследователь в лаборатории технологий микросистем (МТЛ) в Департаменте электротехники и компьютерных наук. “До сих пор считается 3-Д-преобразователя печатных материалов будут иметь бедных выступлений. Но мы разработали способ изготовления добавки для пьезоэлектрических преобразователей при комнатной температуре, и материалы колебаться на гигагерц уровня частот, которая на несколько порядков выше, чем все, что ранее производство по 3-D печати.”
Присоединение Веласкес-Гарсия на бумаге первого автора бренда Гарсиа-Farrera МТЛ и Монтеррейский Институт технологии и высшего образования в Мексике.
Electrospraying наночастиц
Керамические пьезоэлектрические тонкие пленки, изготовленные из алюминия, нитрида или оксида цинка, могут быть изготовлены посредством физического осаждения из паровой фазы и химического осаждения из газовой фазы. Но эти процессы должны быть завершены в стерильно чистых помещениях, в условиях высокой температуры и высокого вакуума. Это может быть трудоемким, дорогостоящим процессом.
Есть более дешевые 3-Д-печатных пьезоэлектрических тонких пленок, доступных. Но те, которые изготовлены с использованием полимеров, которые должны быть “больно, очень больно”— то есть они должны быть с учетом пьезоэлектрических свойств после того, как они напечатаны. Кроме того, эти материалы обычно заканчиваются десятков микрон и, следовательно, не может быть сделано в сверхтонких пленок, способных высокочастотного возбуждения.
Система исследователей адаптирует метод аддитивного производства, называется ближней зоне осаждения электрогидродинамического (NFEHD), который использует высокие электрические поля для выброса струи жидкости через сопло для печати сверхтонкой пленкой. До сих пор методика не использовалась для печати фильмы с пьезоэлектрическими свойствами.
Исследователей жидкого сырья — сырье, используемое в 3-Д печать — содержит наночастиц оксида цинка с примесью инертных растворителей, которые образуют в пьезоэлектрического материала при печати на подложку и сушат. Исходное сырье подается через полую иглу в 3-D принтер. Как он печатает, исследователи применяют конкретного напряжения смещения на кончик иглы и контроля расхода, вызывающие мениска — кривой видно в верхней части жидкости — формировать в виде конуса, который выбрасывает тонкой струей из его кончика.
Струя, естественно, склонны к перерыв в капельки. Но когда исследователи доведите кончик иглы близко к основанию — около миллиметра — самолет не развалится. Этот процесс печатает длинные, узкие линии на подложке. Потом они пересекались линии и сушить их около 76 градусов по Фаренгейту, вися вниз головой.
Печать на пленке именно то, что создает ультратонкие пленки кристаллической структуры с пьезоэлектрическими свойствами, которая резонирует около 5 гигагерц. “Если ничего этого процесса отсутствует, он не работает,” Веласкес-Гарсия говорит.
С помощью методов микроскопии, команда смогла доказать, что фильмы гораздо сильнее пьезоэлектрический отклик — значения измеряемого сигнала, который он излучает, чем фильмы, сделанные с помощью традиционных методов массового производства. Эти методы не контролировать направление оси фильма пьезоэлектрический, определяющий отклик материала. “Это было немного удивительно,” Веласкес-Гарсия говорит. “В этих сыпучих материалов, они могут иметь недостатки в структуре, которые влияют на производительность. Но когда вы можете манипулировать материалов на наноуровне, вы получите сильный пьезоэлектрический отклик.”
Низкая стоимость датчиков
Поскольку пьезоэлектрический ультратонких пленок 3-D печатные и резонировать на очень высоких частотах, они могут быть использованы для изготовления недорогих, высокочувствительных сенсоров. Исследователи в настоящее время работают с коллегами в Монтеррее ТИК в рамках программы сотрудничества в области нанонауки и нанотехнологии, чтобы сделать пьезоэлектрических биосенсоров для обнаружения биомаркеров для определенных заболеваний и состояний.
Резонирующий контур интегрирован в эти биосенсоры, что делает пьезоэлектрический ультратонкие пленки происходит с определенной частотой, и пьезоэлектрический материал может быть функционализирован для привлечения определенной молекулы-биомаркеры на поверхности. Когда молекулы прилипают к поверхности, это вызывает пьезоэлектрический материал, чтобы немного сместить частоту колебаний контура. Что небольшой сдвиг частоты могут быть измерены и соотнесены с определенным количеством молекула, которая скапливается на его поверхности.
Исследователи также разрабатывают датчик для измерения распада электродов в топливных элементах. Что будет функционировать аналогично биосенсор, но сдвиги в частоте соответствует деградации определенного сплава электродов. “Мы делаем датчиков, что позволяет диагностировать работоспособность топливных элементов, чтобы увидеть, если они должны быть заменены”, — Веласкес-Гарсия говорит. “Если вы оцениваете работоспособность этих систем в реальном времени, вы можете принимать решения о том, когда, чтобы заменить их, прежде чем что-то серьезное случится.”
