新型无铅材料将运动转化为电能，助力打造更环保的电子设备

大阪公立大学的研究人员通过利用标准硅片上的应变效应，而非规避它，提升了铁酸铋材料的性能。

该大学的科学家们成功地在标准硅晶圆上直接制备出高性能的无铅压电薄膜，为电子产品的绿色发展开辟了新路径。这项于3月19日公布的突破性成果，有望加速生产与现有半导体技术兼容的环保型能量收集设备。

压电材料在受到机械应力时会产生电能，在电场作用下会发生形变。它们已广泛应用于麦克风、扬声器和耳机等日常产品中，将振动转化为声音。然而，性能最强的压电材料都依赖铅，这是一种对环境有害的有毒元素。

该研究的主要作者、大阪公立大学大学院工学研究科的副教授吉村武志表示："我们一直在致力于开发振动供能设备，将其作为压电材料的新应用方向。尽管压电材料已无处不在，但性能最优异的那些仍然依赖铅，这对环境不利。"

掺锰铁酸铋：一种绿色的替代方案

为了替代铅，研究团队将目光投向了铁酸铋，这是一种天然的无铅材料。铁酸铋在实际应用中面临挑战，主要因为其高漏电性以及将机械能转化为电能的效率（即压电性能）有限。

研究人员设计出一种直接在硅晶圆上生长的超薄掺锰铁酸铋薄膜。通常情况下，铁酸铋在硅衬底上表现不佳。压电性能会因压应变而提升，但硅晶圆在冷却过程中会产生张应变，导致薄膜被拉伸而非压缩。

吉村解释道："我们不是试图避免张应变，而是尝试将其转化为有利因素。我们的目标是触发一种结构相变，即使在标准硅晶圆上，也能显著提高压电性能。"

创新的生长技术解锁卓越性能

制备这种薄膜需要对沉积过程进行精确控制。研究团队使用了溅射法——一种标准的半导体技术，但铋的低熔点使其对温度波动非常敏感。为克服这一难题，他们开发了一种'双轴组合溅射'方法，可以在单片晶圆上改变温度和成分。

吉村解释说："这种方法可以同时测试数十种生长条件，与传统的试错法相比，极大地加速了优化过程。"

该工艺诱导了材料从菱面体到单斜晶相的结构转变，从而增强了其压电响应。所制得的薄膜实现了铁酸铋材料有史以来最高的性能记录，能够产生可观的电荷。

实际应用中的能量收集潜力

为了测试实际应用，研究团队将这些薄膜集成到微机电振动能量收集器中。这些设备能将机械振动转化为电能。与之前的无铅设计相比，新型薄膜将能量转换效率提升了五倍。

它们还能同时处理持续性和突发性振动，使其非常适用于现实环境，包括易受冲击的电机和机械设备。

由于这些薄膜完全通过溅射法在标准硅晶圆上沉积，该工艺易于扩展以实现大规模生产。吉村强调："我们的目标是将应用扩展到智能传感器、物联网设备和自供能设备。无铅压电材料的实际应用有助于减少未来电子产品对环境的负面影响。"

随着这一进展，无铅压电薄膜在取代高性能电子产品中的有害材料方面，比以往任何时候都更近一步。

该研究成果发表在《微系统与纳米工程》期刊上。

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