大阪公立大學(xué)的研究人員通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)硅片上的應(yīng)變效應(yīng)，而非規(guī)避它，提升了鐵酸鉍材料的性能。

該大學(xué)的科學(xué)家們成功地在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓上直接制備出高性能的無(wú)鉛壓電薄膜，為電子產(chǎn)品的綠色發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。這項(xiàng)于3月19日公布的突破性成果，有望加速生產(chǎn)與現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)兼容的環(huán)保型能量收集設(shè)備。

壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電能，在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形變。它們已廣泛應(yīng)用于麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和耳機(jī)等日常產(chǎn)品中，將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為聲音。然而，性能最強(qiáng)的壓電材料都依賴(lài)鉛，這是一種對(duì)環(huán)境有害的有毒元素。

該研究的主要作者、大阪公立大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科的副教授吉村武志表示："我們一直在致力于開(kāi)發(fā)振動(dòng)供能設(shè)備，將其作為壓電材料的新應(yīng)用方向。盡管壓電材料已無(wú)處不在，但性能最優(yōu)異的那些仍然依賴(lài)鉛，這對(duì)環(huán)境不利。"

摻錳鐵酸鉍：一種綠色的替代方案

為了替代鉛，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了鐵酸鉍，這是一種天然的無(wú)鉛材料。鐵酸鉍在實(shí)際應(yīng)用中面臨挑戰(zhàn)，主要因?yàn)槠涓呗╇娦砸约皩C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率（即壓電性能）有限。

研究人員設(shè)計(jì)出一種直接在硅晶圓上生長(zhǎng)的超薄摻錳鐵酸鉍薄膜。通常情況下，鐵酸鉍在硅襯底上表現(xiàn)不佳。壓電性能會(huì)因壓應(yīng)變而提升，但硅晶圓在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)變，導(dǎo)致薄膜被拉伸而非壓縮。

吉村解釋道："我們不是試圖避免張應(yīng)變，而是嘗試將其轉(zhuǎn)化為有利因素。我們的目標(biāo)是觸發(fā)一種結(jié)構(gòu)相變，即使在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓上，也能顯著提高壓電性能。"

創(chuàng)新的生長(zhǎng)技術(shù)解鎖卓越性能

制備這種薄膜需要對(duì)沉積過(guò)程進(jìn)行精確控制。研究團(tuán)隊(duì)使用了濺射法——一種標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)，但鉍的低熔點(diǎn)使其對(duì)溫度波動(dòng)非常敏感。為克服這一難題，他們開(kāi)發(fā)了一種'雙軸組合濺射'方法，可以在單片晶圓上改變溫度和成分。

吉村解釋說(shuō)："這種方法可以同時(shí)測(cè)試數(shù)十種生長(zhǎng)條件，與傳統(tǒng)的試錯(cuò)法相比，極大地加速了優(yōu)化過(guò)程。"

該工藝誘導(dǎo)了材料從菱面體到單斜晶相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而增強(qiáng)了其壓電響應(yīng)。所制得的薄膜實(shí)現(xiàn)了鐵酸鉍材料有史以來(lái)最高的性能記錄，能夠產(chǎn)生可觀的電荷。

實(shí)際應(yīng)用中的能量收集潛力

為了測(cè)試實(shí)際應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)將這些薄膜集成到微機(jī)電振動(dòng)能量收集器中。這些設(shè)備能將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。與之前的無(wú)鉛設(shè)計(jì)相比，新型薄膜將能量轉(zhuǎn)換效率提升了五倍。

它們還能同時(shí)處理持續(xù)性和突發(fā)性振動(dòng)，使其非常適用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境，包括易受沖擊的電機(jī)和機(jī)械設(shè)備。

由于這些薄膜完全通過(guò)濺射法在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓上沉積，該工藝易于擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。吉村強(qiáng)調(diào)："我們的目標(biāo)是將應(yīng)用擴(kuò)展到智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自供能設(shè)備。無(wú)鉛壓電材料的實(shí)際應(yīng)用有助于減少未來(lái)電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。"

隨著這一進(jìn)展，無(wú)鉛壓電薄膜在取代高性能電子產(chǎn)品中的有害材料方面，比以往任何時(shí)候都更近一步。

該研究成果發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》期刊上。

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