超薄3d打印薄膜将一种形式的能量转换成另一种形式

麻省理工学院的研究人员开发了一种简单、低成本的3d打印超薄膜的方法,这种方法具有高性能的“压电”特性,可用于柔性电子元件或高度敏感的生物传感器。

压电材料对物理应变产生电压响应,并通过物理变形对电压响应。它们通常用于传感器,将一种形式的能量转换成另一种形式。例如,机器人执行器使用压电材料来响应电信号移动关节和部件。各种传感器使用这种材料将压力、温度、力和其他物理刺激的变化转化为可测量的电信号。

多年来,研究人员一直在努力开发压电超薄薄膜,这种薄膜可以用作能源收割机、用于触摸屏的灵敏压力传感器,以及柔性电子产品的其他组件。这些薄膜还可以用作微小的生物传感器,它们足够灵敏,可以检测到某些疾病和条件的生物标志物分子的存在。

这些应用选择的材料通常是一种具有晶体结构的陶瓷,由于其极薄,在高频共振。(更高的频率基本上意味着更快的速度和更高的灵敏度。)但是,利用传统的制备技术,制备陶瓷超薄膜是一个复杂而昂贵的过程。

在最近发表于《应用材料与界面》(Applied Materials and Interfaces)杂志上的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员描述了一种3d打印约100纳米厚度的陶瓷换能器的方法,该方法采用了一种增材制造技术,在室温下一层一层地制造物体。这种薄膜可以在柔性衬底上印刷而不会造成性能损失,并且可以在5千兆赫左右产生共振,这对于高性能的生物传感器来说已经足够高了。

“让电转换元件是技术革命的核心,“说Luis Fernando船帆座́quez-Garcí,研究员在微系统技术实验室(MTL)的电气工程和计算机科学。“到目前为止,人们一直认为3d打印换能器材料的性能会很差。但我们已经开发了一种用于压电换能器在室温下的加法制造方法,这种材料的振动频率达到千兆赫级,比之前通过3d打印制造出来的任何东西都要高几个数量级。”

加入船帆座́quez-Garcí在纸上是第一作者Brenda Garcia-Farrera MTL和在墨西哥蒙特雷理工学院和高等教育。

电子喷雾纳米颗粒

采用物理气相沉积法和化学气相沉积法制备了氮化铝或氧化锌陶瓷压电薄膜。但这些过程必须在无菌洁净室、高温和高真空条件下完成。这可能是一个费时、昂贵的过程。

有较低成本的3d打印压电薄膜可用。但这些材料是用聚合物制成的,必须“极化”——这意味着它们在印刷后必须具有压电性质。此外,这些材料通常只有几十微米厚,因此不能制成具有高频驱动功能的超薄膜。

研究人员的系统采用了一种名为近场电流体动力沉积(NFEHD)的添加剂制造技术,该技术利用高电场将液体射流从喷嘴中喷射出来,打印出超薄薄膜。到目前为止,该技术还没有被用于打印具有压电性能的薄膜。

研究人员的液体原料——用于3d打印的原材料——含有氧化锌纳米颗粒和一些惰性溶剂,当打印到基片上并干燥时,这些溶剂会形成压电材料。在3d打印机中,原料是通过空心针输入的。在打印过程中,研究人员在针尖上施加一个特定的偏置电压,并控制流量,导致半月板(液体顶部的曲线)形成一个锥状,从针尖喷射出一股细射流。

射流很自然地倾向于分解成水滴。但是当研究人员把针尖靠近底物——大约一毫米——射流就不会破裂。这一过程在衬底上打印又长又窄的线条。然后他们把这些线重叠起来,在大约76华氏度的温度下晾干,把它们倒挂起来。

用这种方法精确地打印薄膜,就会产生一种晶体结构的超薄薄膜,具有压电特性,共振频率约为5千兆赫。“如果任何过程丢失,它不工作,”贝拉́quez-Garcí说。

利用显微技术,研究小组能够证明这种薄膜具有比传统的大块制作方法更强的压电响应——即它所发出的可测量信号。这些方法并不能真正控制薄膜的压电轴向,而压电轴向决定了材料的响应。“这有点奇怪,”贝拉́quez-Garcí说。“在这些散装材料中,它们可能在结构上效率低下,影响性能。但当你能在纳米尺度操纵材料时,你会得到更强的压电响应。”

低成本的传感器

由于压电超薄膜是3d打印的,并在非常高的频率下产生共振,因此可以利用它们来制造低成本、高灵敏度的传感器。作为纳米科学和纳米技术合作项目的一部分,研究人员目前正在与蒙特雷技术公司的同事合作,制造压电生物传感器,以检测特定疾病和条件的生物标志物。

将谐振电路集成到这些生物传感器中,使压电超薄膜以特定的频率振荡,并对压电材料进行功能化,将某些分子生物标志物吸引到其表面。当分子粘附在表面时,它会使压电材料轻微地改变电路的频率振荡。这种微小的频移可以被测量出来,并与堆积在其表面的一定量的分子相关联。

研究人员还开发了一种传感器来测量燃料电池中电极的衰变。这与生物传感器的功能类似,但频率的变化与电极中某种合金的降解有关。“我们做传感器,能够诊断燃料电池的健康,是否需要更换,”贝拉́quez-Garcí说。“如果你实时评估这些系统的健康状况,你就可以在发生严重事件之前,决定何时更换它们。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/3-d-printed-piezoelectric-films-0828

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