EPFL为下一代压电MEMS器件开发无铅压电材料
2022-03-25 11:37:05   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员在实验室开发了一种掺钆氧化铈化合物，有望成为某些压电材料的理想替代选择：因为它在提供相同特性的同时，效率提高了100倍。此外，和目前最好的压电材料不同，它还是无铅的，这意味着它可以用于生物相容的医疗应用。研究人员将对这种极具前景的化合物及其类似材料展开进一步研究。

Dae-Sung Park博士和Dragan Damjanovic教授

据麦姆斯咨询报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Dragan Damjanovic教授领导的铁电体和功能氧化物研究小组发现，通过操纵通常没有压电特性的无铅材料中的原子缺陷，可以诱导很强的压电效应。当前，压电材料在数字手表、汽车（用于控制有害气体的排放）和超声器械（用于医疗诊断和成像）等各种现代设备中已有广泛应用。

Dae-Sung Park博士说，压电材料可以将电能转化为机械能，反之亦然。压电材料用途广泛，可用于力传感器、驱动物体的执行器、用于成像和电子滤波的高频谐振器等。这些具有电气和机械性能的微型化器件被称为压电MEMS器件。

材料的对称性

压电MEMS器件在诊断、预后和治疗等生物医学领域有着巨大的应用前景，但当前最好的压电材料含有铅金属，对人体和环境有害。因此，研究人员正在努力开发无铅替代方案，以取代目前用于MEMS器件的压电材料。

Park博士和Damjanovic教授的这项研究是在BioWings项目的支持下进行的，该项目源自欧盟，旨在开发可在各种生物医学应用中用作执行器的无铅压电MEMS器件。Damjanovic教授说，BioWings项目的主要目标是开发一种基于电致伸缩特性，而非压电特性的系统。

类似压电特性，电致伸缩也会将电能转换为机械能。某种程度来说，所有材料都存在一定的电致伸缩，只是一般电致伸缩效应很微弱。Damjanovic教授说，压电和电致伸缩的主要区别在于，压电材料的膨胀或收缩取决于施加的电场，而电致伸缩材料无论电场方向如何，都以相同的方式形变。

效率提高100倍

研究人员发现了打破这种对称电致伸缩效应的方法，即在交变电场外施加恒定电场。这实质上把掺钆氧化铈的电致伸缩特性转变为了一种压电特性。

在氧化铈中掺杂钆会产生大量原子缺陷（氧空位），这些缺陷在电场作用下是可移动的。这意味着可以通过控制缺陷来诱导掺钆氧化铈中的强压电效应，Park解释说。

通过操纵可移动的缺陷，研究人员可以大幅提高这种材料的压电敏感度，能够达到目前含铅最强压电材料的100倍。Damjanovic补充说：当然，我们的目标不是完全摒弃那些含铅压电材料，而是提供一种替代选择。

研究人员没想到会得到如此令人鼓舞的结果。Park花了两年多的时间来验证他的结论，然后将其研究成果发表在Science期刊上。这是离子、压电和铁电材料领域的一项重大科学发现。

BioWings项目旨在为下一代MEMS器件开发生物相容的电致伸缩智能材料。EPFL退休教授Paul Muralt也参与了这项研究，他是Biowings项目的发起人。作为未来新兴技术（FET）开放计划的一部分，该项目在Horizon 2020框架下获得了欧盟的资助。该项目的合作伙伴还包括丹麦、以色列、瑞典和瑞士的研究中心。

延伸阅读：

《压电能量收集和传感-2019版》