Flexo-elektrisch materiaal

Zie Nieuws

UT-onderzoekers ontwikkelen flexo-elektrisch nanomateriaal Nieuw vakgebied maakt uiterst gevoelige sensoren mogelijk

Onderzoekers van UT-onderzoeksinstituut MESA+ hebben samen met onderzoekers van diverse andere kennisinstellingen een ‘flexo-elektrisch’ nanomateriaal ontwikkeld. Hierbij gaat het om een materiaal met een ingebouwde mechanische spanning dat vervormt als je er elektrische spanning op zet, of dat stroom opwekt als je het vervormt. In een artikel, dat is gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke vakblad Nature Nanotechnology, laten de onderzoekers zien dat het flexo-elektrisch effect sterker wordt als je het materiaal dunner maakt. Prof. dr. ing. Guus Rijnders, die betrokken was bij het onderzoek, spreekt van een compleet nieuw vakgebied met interessante toepassingsmogelijkheden. Zo zou je de materialen bijvoorbeeld in kunnen zetten om pacemakers in het lichaam op te laden, of om uiterst gevoelige sensoren te maken. 

Piëzo-elektrische materialen worden veel gebruikt in elektronische toepassingen. Het gaat om specifieke kristallijne materialen die elektrische spanning kunnen omzetten naar druk en andersom. Nadeel van deze materialen is dat ze lood bevatten – wat milieu- en gezondheidsrisico’s met zich meebrengt – en dat het piëzo-elektrisch effect afneemt als je de materialen dunner maakt.


Hoe dunner, hoe sterker het effect

In de jaren zestig hebben natuurkundigen al beredeneerd dat er ook een flexo-elektrisch effect kan bestaan. Hierbij kun je ook niet-piëzo-elektrische materialen voorzien van piëzo-elektrische eigenschappen. Destijds waren de fabricagemethodes echter ontoereikend om zo’n materiaal ook daadwerkelijk te creëren. Onderzoekers van onder meer de Universiteit Twente, het Catalaans Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie en de Universiteit van Cornell zijn er nu in geslaagd om een flexo-elektrisch nanosysteem te ontwikkelen van slechts 70 nanometer dik. Wat blijkt: ook al is het flexo-elektrisch effect een zeer zwak effect, hoe dunner je het materiaal uitvoert, hoe sterker het effect wordt. 

Ultragevoelige sensoren

Volgens prof. dr. ing. Guus Rijnders, die betrokken was bij het onderzoek, is het op termijn mogelijk om flexo-elektrische materialen te creëren van slechts enkele atoomlagen dik. Dit brengt allerhande interessante toepassingsmogelijkheden in beeld. “Je kunt bijvoorbeeld denken aan sensoren die een enkel molecuul kunnen detecteren. Hierbij landt een molecuul op een trillende sensor, die daardoor een fractie zwaarder wordt en net iets trager gaat trillen. Deze frequentieverlaging kun je vervolgens eenvoudig via het flexo-elektrisch effect meten.” Naast de ultragevoelige sensoren zijn flexo-elektrische materialen ook interessant voor toepassingen die een beperkte hoeveelheid stroom nodig hebben, maar die moeilijk bereikbaar zijn. Zoals pacemakers of oorimplantaten, die in het lichaam opladen.

Meer informatie vind je in artikel : "A flexoelectric microelectromechanical system on silicon" van Umesh Kumar Bhaskar*, Nirupam Banerjee*, Amir Abdollahi, Zhe Wang, Darrell G. Schlom, Guus Rijnders & Gustau Catalan (*deze auteurs hebben evenveel bijgedragen aan het werk).

Nature Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2015.260