Инновационный процесс позволит снизить стоимость миниатюрных аккумулирующих энергию систем

Пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механические вибрации в электрическую энергию благодаря эффекту, при котором действие механической силы способствует разделению зарядов. Такие материалы могут применяться в различных местах, где постоянно или периодически возникает вибрация: на промышленном оборудовании, авиационных и автомобильных двигателях или даже на человеческом теле (давление крови, дыхание и сердцебиение постоянно создают движение).

До сегодняшнего дня пьезоэлектрики выполнялись из композита свинца, циркония и титана (PZT). Альтернативным материалом являлся нитрид алюминия (AIN). По сравнению с PZT материал AIN обладает лучшими механическими свойствами, не содержит свинец, является более стабильным и биологически совместимым. Более того, не составит труда интегрировать слои нитрида алюминия в современные электронные компоненты.

Применение пьезоэлектриков связано с одной дилеммой. Для интегрирования в компактные системы они должны быть как можно меньшими по размерам. С другой стороны, должен присутствовать определённый объём пьезоэлектрического материала для генерирования достаточного количества энергии. До сих пор не было возможности существующими методами произвести целевое покрытие. Достигнутая скорость напыления, однородность и площадь покрытия – были слишком малыми. Однако ученые института Фраунгофера разработали техпроцесс, при помощи которого достигается осаждение слоев с высокой однородностью при диаметре до 200 мм. При этом скорость напыления высока. Новый процесс значительно более продуктивный по сравнению с предыдущим.

Исследователи наносили слои на полупроводниковую пластину методом реактивного магнетронного распыления алюминиевых мишеней в атмосфере азота и аргона. Такая процедура вела к переходу атомов твердых тел в газовую фазу за счёт бомбардирования мишеней ионами газа с высокой энергией. Учёные использовали систему магнетронного распыления с двумя мишенями – DRM 400. Атомы с обеих мишеней смешивались, поэтому достигалась возможность напыления однородных слоев нитрида алюминия на больших поверхностях с пьезоэлектрическим коэффициентом d33 до 7 x 10-12. Механическое напряжение слоёв таких поверхностей может гибко изменяться в зависимости от сферы применения. Это, например, влияет на адгезионную прочность покрытия, электромеханическое связывание и уровень вырабатываемой энергии.

Ученые провели испытания по аккумулированию энергии в кремниевых полосках (6 х 1 кв.см). покрытых нитридом алюминия. Была достигнута мощность в несколько сот мкВт. Данный уровень не может быть перенесён в реальное производство в соотношении 1:1, поскольку на него влияет множество факторов. Конструкция, толщина слоя, геометрия преобразователя, материал подложки – всё это оказывает влияние. Кроме того, влияет характер вибраций, частота и амплитуда, окружающая среда.

Для повышения вырабатываемой мощности учёные дополнительно используют слои из нитрида алюминия-скандия. По сравнению с чистым нитридом алюминия, эти материалы достигают больших пьезоэлектрических коэффициентов при аналогичной скорости напыления. Исследователи также планируют оптимизировать дизайн преобразователя, используемого для генерирования энергии. Цель состоит в уменьшении размеров всей конструкции, получении ещё большей мощности и в возможности адаптации резонансной частоты в зависимости от сферы применения.