Precisiegloeien verbetert de piëzo-elektrische gevoeligheid van halfgeleiders tot recordniveaus

Elektronica en sensoren INSIDER

Een nieuw gedocumenteerde gloeimethode verhoogde de piëzo-elektrische respons van een halfgeleidermateriaal tot ongekende niveaus. Professor Zetian Mi (links) is de corresponderende auteur, en promovendus Shubham Mondal (rechts) is de co-eerste auteur van het onderzoek. (Afbeelding:Marcin Szczepanski, Michigan Engineering.)

Sterkere signalen van mobiele telefoons, nauwkeurigere sensoren en schonere energie kunnen worden bereikt door een eenvoudige stap toe te voegen aan het industriële fabricageproces van bepaalde halfgeleidermaterialen, zoals gedocumenteerd in een recent onderzoek onder leiding van technische onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

Halfgeleidermaterialen met het vermogen om mechanische spanning om te zetten in elektriciteit – een eigenschap die piëzo-elektriciteit wordt genoemd – zijn essentiële componenten van technologieën die we dagelijks gebruiken. In mobiele telefoons filteren piëzo-elektrische materialen het binnenkomende signaal van de antenne om ongewenste ruis te verminderen. In auto's activeren ze de airbag en controleren ze de bandenspanning.

“Ons team heeft de piëzo-elektrische respons van een scandium-aluminiumnitridefilm, een opkomende halfgeleider voor de volgende generatie micro-elektronica en fotonica, dramatisch verbeterd, met behulp van een vrij eenvoudig gloeiproces”, zegt Zetian Mi, de Pallab K. Bhattacharya Collegiate Professor of Engineering en corresponderend auteur van de studie in Nature Communications .

Door de film twee uur lang in een gespecialiseerde kamer tot 700 graden Celsius te verwarmen, verbeterde het team van Mi de piëzo-elektriciteit van het materiaal acht keer hoger dan die van de huidige technologie op de markt.

Verbeterd op deze schaal hebben piëzo-elektrische materialen het potentieel om technologieën in alle sectoren te transformeren, van de lucht- en ruimtevaart tot de gezondheidszorg en de energie. Een grotere gevoeligheid voor druk en trillingen zou de sensoren kunnen verbeteren die de veiligheid van apparatuur en de structurele gezondheid monitoren, ultrasone procedures kunnen bevorderen en ervoor kunnen zorgen dat verkeerslichten worden geactiveerd door het gerommel van vrachtwagens langs de weg.

De onderzoekers ontdekten ook hoe het verwarmingsproces de eigenschappen van het materiaal verbeterde, door defecten in de dunne lagen van kleine kristallen te corrigeren.

"De piëzo-elektrische respons van dit materiaal is een bijdrage van structurele 'korrels' die in een bepaalde richting zijn georiënteerd. Wanneer de films net zijn gegroeid, zijn deze korrels vaak niet perfect georiënteerd, waarbij sommige korrels niet effectief bijdragen aan de algehele piëzo-elektrische respons", zegt Shubham Mondal, U-M-doctoraalstudent in elektrische en computertechniek en co-eerste auteur van het onderzoek.

"Het uitgloeiproces geeft wat extra energie aan de film, waardoor de korrels beter georiënteerd kunnen worden. En dat is gedeeltelijk hoe hun piëzo-elektrische respons toeneemt", zegt Md Mehedi Hasan Tanim, U-M doctoraalstudent in elektrische en computertechniek en co-eerste auteur van het onderzoek.

Het team is van plan het gloeiproces te testen op scandiumaluminiumnitride dat is gekweekt met behulp van methoden die materialen van hogere kwaliteit opleveren, zoals moleculaire bundelepitaxie, om te zien of ze de piëzo-elektrische respons nog verder kunnen verbeteren.

In de tussentijd, zei Mi, zijn het materiaal en de verwerking die nodig zijn voor verbeterde piëzo-elektrische prestaties vrijwel identiek aan de huidige productienormen. Dankzij de inzichten uit het onderzoek kan de industrie de mogelijkheden van hun producten dramatisch verbeteren zonder grote extra kosten.

Bron