Le recuit de précision améliore la sensibilité piézoélectrique des semi-conducteurs pour atteindre des niveaux records

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Une méthode de recuit récemment documentée a augmenté la réponse piézoélectrique d'un matériau semi-conducteur à des niveaux sans précédent. Le professeur Zetian Mi (à gauche) est l'auteur correspondant, et le doctorant Shubham Mondal (à droite) est le co-premier auteur de l'étude. (Image :Marcin Szczepanski, Michigan Engineering.)

Des signaux de téléphone portable plus puissants, des capteurs plus précis et une énergie plus propre peuvent être obtenus en ajoutant une étape simple au processus de fabrication industrielle de certains matériaux semi-conducteurs, documenté dans une étude récente menée par des chercheurs en ingénierie de l'Université du Michigan.

Les matériaux semi-conducteurs capables de convertir les contraintes mécaniques en électricité – une propriété appelée piézoélectricité – sont des composants essentiels des technologies que nous utilisons quotidiennement. Dans les téléphones portables, les matériaux piézoélectriques filtrent le signal entrant de l'antenne pour réduire les bruits indésirables. Dans les voitures, ils déploient l'airbag et surveillent la pression des pneus.

"Notre équipe a considérablement amélioré la réponse piézoélectrique d'un film de nitrure d'aluminium scandium, un semi-conducteur émergent pour la microélectronique et la photonique de nouvelle génération, en utilisant un processus de recuit assez simple", a déclaré Zetian Mi, professeur d'ingénierie Pallab K. Bhattacharya Collegiate et auteur correspondant de l'étude dans Nature Communications .

En chauffant le film à 700 degrés Celsius pendant deux heures dans une chambre spécialisée, l'équipe de Mi a amélioré la piézoélectricité du matériau huit fois par rapport à celle utilisée dans la technologie actuelle sur le marché.

Améliorés à cette échelle, les matériaux piézoélectriques ont le potentiel de transformer les technologies dans tous les secteurs, de l'aérospatiale aux soins de santé en passant par l'énergie. Une sensibilité accrue à la pression et aux vibrations pourrait améliorer les capteurs qui surveillent la sécurité des équipements et l'état des structures, faire progresser les procédures d'ultrasons et permettre aux feux de circulation d'être alimentés par le grondement des camions le long de la route.

Les chercheurs ont également découvert comment le processus de chauffage améliorait les propriétés du matériau, en corrigeant les défauts des fines couches de minuscules cristaux.

"La réponse piézoélectrique de ce matériau est une contribution de "grains" structurels orientés dans une direction particulière. Lorsque les films viennent juste de croître, ces grains ne sont souvent pas parfaitement orientés, certains grains ne contribuant pas efficacement à la réponse piézoélectrique globale", a déclaré Shubham Mondal, doctorant à l'UM en génie électrique et informatique et co-premier auteur de l'étude.

"Le processus de recuit donne une énergie supplémentaire au film, permettant aux grains de mieux s'orienter. Et c'est en partie ainsi que leur réponse piézoélectrique augmente", a déclaré Md Mehedi Hasan Tanim, doctorant à l'UM en génie électrique et informatique et co-premier auteur de l'étude.

L'équipe prévoit de tester le processus de recuit sur du nitrure de scandium et d'aluminium cultivé à l'aide de méthodes produisant des matériaux de meilleure qualité, telles que l'épitaxie par jet moléculaire, pour voir s'ils peuvent améliorer encore davantage la réponse piézoélectrique.

Entre-temps, a déclaré Mi, le matériau et le traitement nécessaires pour améliorer les performances piézoélectriques sont pratiquement identiques aux normes de fabrication actuelles. Les conclusions de l'étude permettent à l'industrie d'améliorer considérablement les capacités de ses produits sans coûts supplémentaires majeurs.

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