El recocido de precisión mejora la sensibilidad piezoeléctrica de los semiconductores a niveles récord

Electrónica y sensores INSIDER

Un método de recocido recientemente documentado aumentó la respuesta piezoeléctrica de un material semiconductor a niveles sin precedentes. El profesor Zetian Mi (izquierda) es el autor correspondiente y el estudiante de doctorado Shubham Mondal (derecha) es el co-primer autor del estudio. (Imagen:Marcin Szczepanski, Ingeniería de Michigan).

Se pueden lograr señales de teléfonos móviles más potentes, sensores más precisos y energía más limpia añadiendo un simple paso al proceso de fabricación industrial de ciertos materiales semiconductores, como se documenta en un estudio reciente dirigido por investigadores de ingeniería de la Universidad de Michigan.

Los materiales semiconductores con la capacidad de convertir la tensión mecánica en electricidad (una propiedad llamada piezoelectricidad) son componentes esenciales de las tecnologías que utilizamos todos los días. En los teléfonos móviles, los materiales piezoeléctricos filtran la señal entrante de la antena para reducir el ruido no deseado. En los automóviles, activan el airbag y controlan la presión de los neumáticos.

"Nuestro equipo mejoró drásticamente la respuesta piezoeléctrica de una película de nitruro de aluminio y escandio, un semiconductor emergente para la microelectrónica y la fotónica de próxima generación, mediante un proceso de recocido bastante simple", afirmó Zetian Mi, profesor colegiado de ingeniería Pallab K. Bhattacharya y autor correspondiente del estudio en Nature Communications. .

Al calentar la película a 700 grados Celsius durante dos horas en una cámara especializada, el equipo de Mi mejoró la piezoelectricidad del material ocho veces más que la utilizada en la tecnología actual en el mercado.

Mejorados a esta escala, los materiales piezoeléctricos tienen el potencial de transformar tecnologías en todos los sectores, desde el aeroespacial hasta el de atención médica y energía. Una mayor sensibilidad a la presión y la vibración podría mejorar los sensores que monitorean la seguridad de los equipos y la salud estructural, avanzar en los procedimientos de ultrasonido y permitir que los semáforos se activen con el ruido de los camiones a lo largo de la carretera.

Los investigadores también descubrieron cómo el proceso de calentamiento mejoraba las propiedades del material, al corregir defectos en las finas capas de pequeños cristales.

"La respuesta piezoeléctrica de este material es una contribución de los 'granos' estructurales orientados en una dirección particular. Cuando las películas recién crecen, estos granos a menudo no están perfectamente orientados, y algunos granos no contribuyen de manera efectiva a la respuesta piezoeléctrica general", dijo Shubham Mondal, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática de la UM y coprimer autor del estudio.

"El proceso de recocido proporciona algo de energía adicional a la película, lo que permite que los granos se orienten mejor. Y así es en parte como aumenta su respuesta piezoeléctrica", dijo el Dr. Mehedi Hasan Tanim, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática de la UM y coprimer autor del estudio.

El equipo planea probar el proceso de recocido en nitruro de aluminio y escandio cultivado utilizando métodos que producen materiales de mayor calidad, como la epitaxia de haz molecular, para ver si pueden mejorar aún más la respuesta piezoeléctrica.

Mientras tanto, dijo Mi, el material y el procesamiento necesarios para mejorar el rendimiento piezoeléctrico son prácticamente idénticos a los estándares de fabricación actuales. Los conocimientos del estudio permiten a la industria mejorar drásticamente las capacidades de sus productos sin grandes costos adicionales.

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