Voorzichtige verhitting verbetert piëzo-elektrische respons van halfgeleidermaterialen

Een eenvoudige en schaalbare gloeimethode verbetert de kwaliteit van materialen die worden gebruikt in mobiele telefoons, sensoren en energieopwekkende apparaten, zo claimt de universiteit van Michigan (VS).

Sterkere mobiele telefoonsignalen, nauwkeurigere sensoren en schonere energie kunnen worden bereikt door een eenvoudige stap toe te voegen aan het industriële productieproces van bepaalde halfgeleidermaterialen, zo documenteert een recente studie onder leiding van ingenieurs aan de Universiteit van Michigan.

“Ons team heeft de piëzo-elektrische respons van een scandium-aluminiumnitridefilm, een opkomende halfgeleider voor de volgende generatie micro-elektronica en fotonica, aanzienlijk verbeterd met behulp van een vrij eenvoudig gloeiproces”, aldus Zetian Mi, corresponderend auteur van de studie in Nature Communications.

Door de film twee uur lang in een speciale kamer tot 700 graden Celsius te verhitten, verbeterde Mi’s team de piëzo-elektrische respons van het materiaal acht keer beter dan die van de huidige technologie op de markt.

“Op deze schaal verbeterd, hebben piëzo-elektrische materialen de potentie om technologieën in verschillende sectoren te transformeren, van de lucht- en ruimtevaart tot de gezondheidszorg en de energiesector. Een verhoogde gevoeligheid voor druk en trillingen zou sensoren kunnen verbeteren die de veiligheid van apparatuur en de structurele gezondheid bewaken, ultrasone procedures kunnen verbeteren en ervoor kunnen zorgen dat verkeerslichten worden geactiveerd door het gerommel van vrachtwagens op de weg.”

Defecten gecorrigeerd

De onderzoekers ontdekten ook hoe het verhittingsproces 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 georiënteerd zijn. Wanneer de films net gegroeid zijn, zijn deze korrels vaak niet perfect georiënteerd, waardoor sommige korrels niet effectief bijdragen aan de algehele piëzo-elektrische respons”, aldus Shubham Mondal, co-eerste auteur van de studie.

Het gloeiproces geeft de film extra energie, waardoor de korrels beter georiënteerd raken. En dat is deels hoe hun piëzo-elektrische respons toeneemt”, aldus Mehedi Hasan Tanim, mede-eerste auteur van de studie.

Het team is van plan het gloeiproces te testen op scandium-aluminiumnitride, 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.

Industrie

Ondertussen, aldus Mi, zijn het materiaal en de verwerking die nodig zijn voor verbeterde piëzo-elektrische prestaties vrijwel identiek aan de huidige productienormen. De inzichten uit het onderzoek stellen de industrie in staat de mogelijkheden van hun producten aanzienlijk te verbeteren zonder grote extra kosten.

Het team heeft patentbescherming aangevraagd en zoekt naar industriële partners om de technologie op de markt te brengen.