Recozimento de precisão aumenta a sensibilidade piezoelétrica de semicondutores para níveis recordes

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Um método de recozimento recentemente documentado aumentou a resposta piezoelétrica de um material semicondutor a níveis sem precedentes. O professor Zetian Mi (à esquerda) é o autor correspondente, e o estudante de doutorado Shubham Mondal (à direita) é o co-primeiro autor do estudo. (Imagem:Marcin Szczepanski, Engenharia de Michigan.)
Sinais de telefone celular mais fortes, sensores mais precisos e energia mais limpa podem ser alcançados adicionando uma etapa simples ao processo de fabricação industrial de certos materiais semicondutores, documentado em um estudo recente liderado por pesquisadores de engenharia da Universidade de Michigan.

Materiais semicondutores com capacidade de converter estresse mecânico em eletricidade – uma propriedade chamada piezoeletricidade – são componentes essenciais das tecnologias que usamos todos os dias. Nos telefones celulares, os materiais piezoelétricos filtram o sinal de entrada da antena para reduzir ruídos indesejados. Nos carros, eles acionam o airbag e monitoram a pressão dos pneus.

“Nossa equipe melhorou drasticamente a resposta piezoelétrica de um filme de nitreto de alumínio e escândio, um semicondutor emergente para microeletrônica e fotônica de próxima geração, usando um processo de recozimento bastante simples”, disse Zetian Mi, professor universitário de engenharia da Pallab K. Bhattacharya e autor correspondente do estudo na Nature Communications. .

Ao aquecer o filme a 700 graus Celsius durante duas horas em uma câmara especializada, a equipe de Mi melhorou a piezoeletricidade do material oito vezes além da usada na tecnologia atual no mercado.

Aprimorados nesta escala, os materiais piezoelétricos têm o potencial de transformar tecnologias em todos os setores, desde aeroespacial até cuidados de saúde e energia. O aumento da sensibilidade à pressão e à vibração poderia melhorar os sensores que monitorizam a segurança dos equipamentos e a saúde estrutural, avançar os procedimentos de ultrassom e permitir que os semáforos sejam energizados pelo barulho dos camiões ao longo da estrada.

Os pesquisadores também descobriram como o processo de aquecimento melhorou as propriedades do material, corrigindo defeitos nas finas camadas de minúsculos cristais.

"A resposta piezoelétrica deste material é uma contribuição de 'grãos' estruturais orientados em uma direção específica. Quando os filmes acabam de crescer, esses grãos muitas vezes não são perfeitamente orientados, com alguns grãos não contribuindo efetivamente para a resposta piezoelétrica geral, "disse Shubham Mondal, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação da UM e co-autor do estudo.

"O processo de recozimento fornece alguma energia adicional ao filme, permitindo que os grãos se tornem melhor orientados. E é em parte assim que a sua resposta piezoelétrica aumenta, "disse Md Mehedi Hasan Tanim, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação da U-M e co-primeiro autor do estudo.

A equipe planeja testar o processo de recozimento em nitreto de escândio e alumínio cultivado usando métodos que produzem materiais de maior qualidade, como epitaxia por feixe molecular, para ver se eles podem melhorar ainda mais a resposta piezoelétrica.

Enquanto isso, disse Mi, o material e o processamento necessários para melhorar o desempenho piezoelétrico são virtualmente idênticos aos padrões de fabricação atuais. Os insights do estudo permitem que a indústria avance dramaticamente as capacidades dos seus produtos sem grandes custos adicionais.

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