Präzisionsglühen steigert die piezoelektrische Empfindlichkeit von Halbleitern auf Rekordniveau

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Eine neu dokumentierte Glühmethode erhöhte die piezoelektrische Reaktion eines Halbleitermaterials auf ein beispielloses Niveau. Professor Zetian Mi (links) ist der korrespondierende Autor und der Doktorand Shubham Mondal (rechts) ist der Co-Erstautor der Studie. (Bild:Marcin Szczepanski, Michigan Engineering.)

Stärkere Mobiltelefonsignale, genauere Sensoren und sauberere Energie können durch die Hinzufügung eines einfachen Schritts zum industriellen Herstellungsprozess bestimmter Halbleitermaterialien erreicht werden, wie in einer aktuellen Studie unter der Leitung von Ingenieurforschern der University of Michigan dokumentiert.

Halbleitermaterialien mit der Fähigkeit, mechanische Spannung in Elektrizität umzuwandeln – eine Eigenschaft, die Piezoelektrizität genannt wird – sind wesentliche Bestandteile der Technologien, die wir täglich nutzen. In Mobiltelefonen filtern piezoelektrische Materialien das von der Antenne eingehende Signal, um unerwünschtes Rauschen zu reduzieren. Im Auto lösen sie den Airbag aus und überwachen den Reifendruck.

„Unser Team hat die piezoelektrische Reaktion eines Scandium-Aluminiumnitrid-Films, eines aufstrebenden Halbleiters für die Mikroelektronik und Photonik der nächsten Generation, mithilfe eines recht einfachen Temperprozesses erheblich verbessert“, sagte Zetian Mi, Professor für Ingenieurwissenschaften am Pallab K. Bhattacharya Collegiate und korrespondierender Autor der Studie in Nature Communications .

Indem Mis Team den Film zwei Stunden lang in einer Spezialkammer auf 700 Grad Celsius erhitzte, verbesserte er die Piezoelektrizität des Materials um das Achtfache gegenüber der derzeit auf dem Markt erhältlichen Technologie.

In diesem Maßstab verbessert, haben piezoelektrische Materialien das Potenzial, Technologien in allen Sektoren zu verändern, von der Luft- und Raumfahrt über das Gesundheitswesen bis hin zur Energie. Eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Druck und Vibration könnte Sensoren verbessern, die die Gerätesicherheit und den strukturellen Zustand überwachen, Ultraschallverfahren vorantreiben und es ermöglichen, Ampeln durch das Rumpeln von Lastwagen auf der Straße mit Strom zu versorgen.

Die Forscher fanden auch heraus, wie der Erhitzungsprozess die Eigenschaften des Materials verbesserte, indem er Defekte in den dünnen Schichten winziger Kristalle korrigierte.

„Die piezoelektrische Reaktion dieses Materials ist ein Beitrag von strukturellen ‚Körnern‘, die in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind. Wenn die Filme gerade erst wachsen, sind diese Körner oft nicht perfekt ausgerichtet, wobei einige Körner nicht effektiv zur gesamten piezoelektrischen Reaktion beitragen“, sagte Shubham Mondal, U-M-Doktorand in Elektro- und Computertechnik und Co-Erstautor der Studie.

„Der Glühprozess verleiht dem Film etwas zusätzliche Energie, wodurch sich die Körner besser ausrichten können. Und dadurch erhöht sich zum Teil ihre piezoelektrische Reaktion“, sagte Md Mehedi Hasan Tanim, U-M-Doktorand in Elektro- und Computertechnik und Co-Erstautor der Studie.

Das Team plant, den Glühprozess an Scandiumaluminiumnitrid zu testen, das mit Methoden gezüchtet wurde, die höherwertige Materialien liefern, wie zum Beispiel Molekularstrahlepitaxie, um zu sehen, ob sie die piezoelektrische Reaktion noch weiter verbessern können.

Mittlerweile, so Mi, seien das für eine verbesserte piezoelektrische Leistung erforderliche Material und die Verarbeitung praktisch identisch mit den aktuellen Fertigungsstandards. Die Erkenntnisse der Studie ermöglichen es der Industrie, die Fähigkeiten ihrer Produkte ohne größere Zusatzkosten erheblich zu verbessern.

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