Мы так привыкли к электронике, что даже не замечаем, как она устроена. Возьмем смартфон — в нем сотни крошечных деталей, каждая из которых представляет собой шедевр инженерной мысли. Среди них есть фильтры радиочастот (RF-фильтры). Они отсеивают лишние сигналы, чтобы Wi-Fi и мобильная связь работали четко. Любое беспроводное устройство содержит такие фильтры, и часто их делают из пьезоэлектрических тонких пленок.

Пьезоэлектрики — особые материалы. Если их сжать, они вырабатывают ток, а если подать напряжение — меняют форму. Помимо фильтров, их используют в сенсорах, микродвигателях и даже в крошечных генераторах энергии. Ученые исследуют и другие применения, например, в квантовых технологиях. Но чтобы такие пленки работали, они должны быть идеального качества. А это зависит от способа их изготовления.

Исследователи из лаборатории Empa разработали новый метод нанесения пьезоэлектрических пленок. Их подход позволяет создавать высококачественные слои даже на изолирующих материалах и при сравнительно низких температурах — такого раньше не делали.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications, а на технологию уже подали заявку на патент.

Как это работает

Обычно для нанесения тонких пленок используют метод HiPIMS — импульсное магнетронное напыление. В камере создают плазму, ионы аргона бомбардируют металлическую мишень, выбивая из нее атомы, которые оседают на подложке. В HiPIMS процесс идет короткими мощными импульсами, поэтому атомы летят быстрее, а многие даже ионизируются. Это позволяет получать очень плотные и прочные покрытия.

Но для пьезоэлектриков метод не подходил: вместе с нужными ионами в пленку попадал аргон, что могло приводить к пробоям при работе под напряжением.

Ученые нашли решение — синхронизировали подачу напряжения так, чтобы ускорять только целевые ионы, а аргон пролетал мимо.

Следующая задача — нанесение пленок на изолирующие подложки  (стекло, сапфир). Обычно для этого нужно подавать напряжение, но если материал не проводит ток, это невозможно. Исследователи использовали хитрость: электроны из плазмы сами на короткое время заряжали подложку, создавая нужное ускорение. Такой метод назвали SFP-HiPIMS.

Что это дает

• Пленки можно делать даже на материалах, чувствительных к температуре.
• Технология подходит для полупроводниковой промышленности, где часто нельзя подавать напряжение на подложку.
• В перспективе — создание ферроэлектрических пленок и применение в квантовых технологиях.

Сейчас ученые работают над оптимизацией процесса с помощью машинного обучения и готовят несколько коллабораций для новых экспериментов.

Этот метод открывает двери для более дешевого и надежного производства микроэлектроники. Пьезоэлектрические пленки критически важны в сенсорах, фильтрах и даже будущих квантовых устройствах. Возможность наносить их при низких температурах и на изоляторы означает, что можно создавать более сложные чипы без риска перегрева. Это особенно важно для IoT-устройств и носимой электроники, где энергоэффективность и миниатюризация — ключевые факторы.

Хотя технология выглядит многообещающе, пока неясно, насколько легко ее масштабировать для массового производства. HiPIMS-установки дороги и энергозатратны, а синхронизация импульсов требует высокой точности. Если процесс окажется слишком сложным для промышленных линий, его преимущества могут нивелироваться высокой себестоимостью.

Ранее ученые использовали жевательные движения для генерации энергии. Получилось не очень.