Ученые МФТИ показали, что пленки оксида гафния нестандартной геометрии ведут себя как хороший пьезоэлектрик. Результат поможет создавать новые электромеханические моторы микро- и наномасштаба, совместимые с современной кремниевой технологией. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Пленки оксида гафния давно используются в процессорах в качестве элемента транзисторов. Также на основе этих пленок изготавливают устройства энергонезависимой памяти — «флешки». Материал умеет «запоминать» информацию, так как обладает сегнетоэлектрическими свойствами: поляризацией, которую можно менять внешним электрическим полем. Также пленки оксида гафния идеально совместимы со всей полупроводниковой электроникой.
Все сегнетоэлектрики являются пьезоэлектриками. Пленки оксида гафния проявляют обратный пьезоэлектрический эффект: с помощью электрического поля можно создавать механические деформации материала. Такие материалы могут стать основой для различных микро- и наномоторов, которые управляются электрическим напряжением: миниатюрных перемещателей, подвижных и настраиваемых микролинз, ключей в электрической цепи, инжекторов микродоз лекарства.
Обычные «плоские» пленки оксида гафния на жестких кремниевых кристаллах — «плохие» пьезоэлектрики. Они слабо преобразовывают электрическое напряжение в механическое, почти в 100 раз хуже стандартных пьезоматериалов.
В лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ обнаружили, что при «подвешивании» пленок на тонкие гибкие мембраны специфической геометрии можно добиться гигантского электромеханического отклика. Сначала ученые показали, что с помощью метода атомно-слоевого осаждения оксидом гафния можно равномерно покрыть трехмерный объект любой формы, то есть создать пленку любой трехмерной конфигурации. Далее они экспериментально проверили, что если вырастить пленки на ступенчатой гибкой мембране, то в такой конфигурации пленки оксида гафния ведут себя как хорошие пьезоэлектрики.
«Наш результат открывает широкие перспективы поиска новых конфигураций трехмерных пьезоэлектрических устройств, которые позволят улучшить их производительность. Это открывает новое направление в нано- и микросистемной технике», — говорит Анастасия Чуприк, заведующий лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Схема исследования. Источник: ACS Applied Materials & Interfaces
Исследователи разработали технологию изготовления мембран для выращивания пленок любой конфигурации. Ступенчатая гибкая мембрана была выбрана, чтобы сделать эксперимент наглядным и надежным: можно контролируемо менять параметры геометрии и точно учитывать конфигурацию в теоретическом обосновании. Далее провели экспериментальные исследования сегнетоэлектрических свойств: показали, что выращивание пленки на гибкой подложке не портит ее свойства. С помощью микроскопии пьезоотклика ученые продемонстрировали пьезоэлектрические свойства — гигантский электромеханический отклик материала, который в 25 раз больше отклика плоской пленки.
Чтобы понять причину, почему наблюдается такой эффект, физики провели квантомеханические расчеты и численное моделирование. Было предположение, что на величину эффекта могут влиять остаточные механические напряжения, которые образуются в процессе кристаллизации пленки на гибкой подложке. Оказалось, что остаточные механические напряжения влияют незначительно.
«Наблюдаемый нами эффект — синергия собственных сегнетоэлектрических свойств пленки и гибкости мембран, в которых участки то провисают, то выгибаются и становятся более чувствительными к воздействию электрического поля», — комментирует Анастасия Чуприк.
Фото. Изображение ступенчатой пьезоэлектрической мембраны в сканирующем электронном микроскопе. Источник: ACS Applied Materials & Interfaces
Предложенный подход позволяет разрабатывать новые перспективные пьезоэлектрические устройства, включая наноактюаторы и нанопереключатели, наноинжекторы, миниатюрные настраиваемые отражатели и линзы.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект 20-19-00370).
