Найден перспективный материал для наномоторов

Плёнки оксида гафния давно используются в процессорах в качестве элемента транзисторов. Также на основе этих плёнок изготавливают устройства энергонезависимой памяти — «флешки». Материал умеет «запоминать» информацию, так как обладает сегнетоэлектрическими свойствами: поляризацией, которую можно менять внешним электрическим полем. Также плёнки оксида гафния идеально совместимы со всей полупроводниковой электроникой.

Все сегнетоэлектрики являются пьезоэлектриками. Плёнки 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» плёнки оксида гафния на жёстких 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» плёнок на тонкие гибкие мембраны специфической геометрии можно добиться гигантского электромеханического отклика. Сначала учёные показали, что с помощью метода атомно-слоевого осаждения оксидом гафния можно равномерно покрыть трёхмерный объект любой формы, то есть создать плёнку любой трёхмерной конфигурации. Далее они экспериментально проверили, что если вырастить плёнки на ступенчатой гибкой мембране, то в такой конфигурации плёнки оксида гафния ведут себя как хорошие пьезоэлектрики.

«Наш результат открывает широкие перспективы поиска новых конфигураций трёхмерных 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.

Исследователи разработали технологию изготовления мембран для выращивания плёнок любой конфигурации. Ступенчатая гибкая мембрана была выбрана, чтобы сделать эксперимент наглядным и надёжным: можно контролируемо менять параметры геометрии и точно учитывать конфигурацию в теоретическом обосновании. Далее провели экспериментальные исследования сегнетоэлектрических свойств: показали, что выращивание плёнки на гибкой подложке не портит её свойства. С помощью микроскопии пьезоотклика учёные продемонстрировали пьезоэлектрические свойства — гигантский электромеханический отклик материала, который в 25 раз больше отклика плоской плёнки.

Чтобы понять причину, почему наблюдается такой эффект, физики провели квантомеханические расчёты и численное моделирование. Было предположение, что на величину эффекта могут влиять остаточные механические напряжения, которые образуются в процессе кристаллизации плёнки на гибкой подложке. Оказалось, что остаточные механические напряжения влияют незначительно.

«Наблюдаемый нами эффект — синергия собственных сегнетоэлектрических свойств плёнки и гибкости мембран, в которых участки то провисают, то выгибаются и становятся более чувствительными к воздействию электрического поля», — комментирует Анастасия Чуприк.

Предложенный подход позволяет разрабатывать новые перспективные пьезоэлектрические устройства, включая наноактюаторы и нанопереключатели, наноинжекторы, миниатюрные настраиваемые отражатели и линзы.