大阪市立大學的科學家成功研發出高性能的無鉛壓電薄膜，並可直接在標準硅晶圓上製作，為電子產品提供了一條更環保的道路。這項突破性成果於3月19日公佈，有望加快與現有半導體技術兼容的環保能量收集裝置的生產。壓電材料在受到機械應力時會產生電力，並在電場下變形。這些材料已廣泛應用於日常產品中，例如麥克風、揚聲器和耳機，將振動轉化為聲音。然而，性能最強的壓電材料仍依賴於鉛，這是一種對環境有害的有毒元素。
大阪市立大學工程學研究所的副教授吉村健說：「我們一直在開發基於振動驅動的設備，作為壓電材料的新應用。儘管壓電材料已經無處不在，但性能最好的材料仍然依賴於鉛，這對環境是不利的。」為了取代鉛，研究團隊轉向了無鉛的鈰鐵氧體。鈰鐵氧體在實際應用中面臨高電流泄漏和轉換機械能至電能的效率有限等挑戰。
研究人員成功設計出一種超薄的掺錳鈰鐵氧體薄膜，並直接在硅晶圓上生長。通常情況下，鈰鐵氧體在硅上的性能較差。壓電性能在受到壓縮應變時會提高，但硅晶圓在冷卻過程中會產生拉伸應變，從而拉扯薄膜而不是壓縮它。吉村表示：「我們沒有試圖避免拉伸應變，而是試圖利用它。目標是觸發結構相變化，從而顯著改善壓電性能，即使在標準的硅晶圓上也能實現。」
創新生長技術解鎖了優越的性能。製作這些薄膜需要對沉積過程進行精確控制。團隊使用了濺射技術，這是一種常見的半導體技術，但由於鈰的低熔點，使其對溫度波動非常敏感。為了解決這個問題，他們開發了一種雙軸組合濺射方法，能夠在單個晶圓上變化溫度和成分。這種方法使得數十種生長條件能夠同時進行測試，從而大大加速了優化過程。
這一過程使材料的結構從菱方晶相轉變為單斜晶相，增強了材料的壓電響應。最終，這些薄膜的性能達到了鈰鐵氧體的歷史最高記錄，能夠產生可觀的電荷。為了測試實際應用，團隊將這些薄膜融入微電機械振動能量收集器中，這些設備能將機械振動轉換為電力。這些新薄膜的能量轉換效率是以往無鉛設計的五倍，並且能夠處理持續和突發的振動，使其非常適合於包括電機和容易受衝擊的機械等現實環境。
由於這些薄膜完全通過濺射沉積在標準硅晶圓上，該過程可擴展以滿足大規模生產的需求。吉村強調：「我們的目標是將應用擴展到智能傳感器、物聯網設備和自供電設備。」無鉛壓電材料的實際採用有助於減輕未來電子產品對環境的負面影響。隨著這一發展，無鉛壓電薄膜距離取代高性能電子產品中有害材料的目標越來越近。這些研究結果已發表在《微系統納米工程》期刊上。
