新型無鉛材料將運動轉化為電能，助力打造更環保的電子設備

大阪公立大學的研究人員通過利用標準硅片上的應變效應，而非規避它，提升了鐵酸鉍材料的性能。

該大學的科學家們成功地在標準硅晶圓上直接制備出高性能的無鉛壓電薄膜，為電子產品的綠色發展開辟了新路徑。這項于3月19日公布的突破性成果，有望加速生產與現有半導體技術兼容的環保型能量收集設備。

壓電材料在受到機械應力時會產生電能，在電場作用下會發生形變。它們已廣泛應用于麥克風、揚聲器和耳機等日常產品中，將振動轉化為聲音。然而，性能最強的壓電材料都依賴鉛，這是一種對環境有害的有毒元素。

該研究的主要作者、大阪公立大學大學院工學研究科的副教授吉村武志表示："我們一直在致力于開發振動供能設備，將其作為壓電材料的新應用方向。盡管壓電材料已無處不在，但性能最優異的那些仍然依賴鉛，這對環境不利。"

摻錳鐵酸鉍：一種綠色的替代方案

為了替代鉛，研究團隊將目光投向了鐵酸鉍，這是一種天然的無鉛材料。鐵酸鉍在實際應用中面臨挑戰，主要因為其高漏電性以及將機械能轉化為電能的效率（即壓電性能）有限。

研究人員設計出一種直接在硅晶圓上生長的超薄摻錳鐵酸鉍薄膜。通常情況下，鐵酸鉍在硅襯底上表現不佳。壓電性能會因壓應變而提升，但硅晶圓在冷卻過程中會產生張應變，導致薄膜被拉伸而非壓縮。

吉村解釋道："我們不是試圖避免張應變，而是嘗試將其轉化為有利因素。我們的目標是觸發一種結構相變，即使在標準硅晶圓上，也能顯著提高壓電性能。"

創新的生長技術解鎖卓越性能

制備這種薄膜需要對沉積過程進行精確控制。研究團隊使用了濺射法——一種標準的半導體技術，但鉍的低熔點使其對溫度波動非常敏感。為克服這一難題，他們開發了一種'雙軸組合濺射'方法，可以在單片晶圓上改變溫度和成分。

吉村解釋說："這種方法可以同時測試數十種生長條件，與傳統的試錯法相比，極大地加速了優化過程。"

該工藝誘導了材料從菱面體到單斜晶相的結構轉變，從而增強了其壓電響應。所制得的薄膜實現了鐵酸鉍材料有史以來最高的性能記錄，能夠產生可觀的電荷。

實際應用中的能量收集潛力

為了測試實際應用，研究團隊將這些薄膜集成到微機電振動能量收集器中。這些設備能將機械振動轉化為電能。與之前的無鉛設計相比，新型薄膜將能量轉換效率提升了五倍。

它們還能同時處理持續性和突發性振動，使其非常適用于現實環境，包括易受沖擊的電機和機械設備。

由于這些薄膜完全通過濺射法在標準硅晶圓上沉積，該工藝易于擴展以實現大規模生產。吉村強調："我們的目標是將應用擴展到智能傳感器、物聯網設備和自供能設備。無鉛壓電材料的實際應用有助于減少未來電子產品對環境的負面影響。"

隨著這一進展，無鉛壓電薄膜在取代高性能電子產品中的有害材料方面，比以往任何時候都更近一步。

該研究成果發表在《微系統與納米工程》期刊上。

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