Ein Forschungsteam der Osaka Metropolitan University hat erfolgreich eine hochleistungsfähige, bleifreie piezoelektrische Dünnschicht entwickelt, die direkt auf Standard-Siliziumwafern hergestellt werden kann. Dies stellt einen Durchbruch für die Produktion umweltfreundlicher Energieerntegeräte dar. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Journal „Microsystems & Nanoengineering“, markieren einen wichtigen Fortschritt in der Kompatibilität bleifreier piezoelektrischer Materialien mit herkömmlichen Halbleiterprozessen.
Piezoelektrische Materialien können mechanische Spannung in elektrische Ladung umwandeln und werden weit verbreitet in Geräten wie Mikrofonen und Lautsprechern eingesetzt. Allerdings enthalten hochleistungsfähige piezoelektrische Materialien typischerweise Blei, was eine potenzielle Gefahr für die Umwelt darstellt. Associate Professor Takeshi Yoshimura von der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University und Hauptautor der Studie erklärt: „Wir erforschen schon länger vibrierungsbetriebene Geräte als neue Anwendung für piezoelektrische Materialien.“
Er fügt hinzu: „Obwohl piezoelektrische Materialien weit verbreitet sind, sind die leistungsstärksten Materialien immer noch auf Blei angewiesen, was umweltschädlich ist.“ Das Team wählte Bismutferrit als umweltfreundlichere Alternative, doch dessen praktische Anwendung war bisher durch hohe elektrische Leckströme und geringere piezoelektrische Leistung begrenzt.
Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten die Forscher ultradünne, mangan-dotierte Bismutferrit-Schichten, die direkt auf Siliziumwafern aufwachsen. Yoshimura erläutert: „Statt die Zugspannung zu vermeiden, nutzen wir sie, um eine strukturelle Phasenumwandlung auszulösen, was die piezoelektrische Leistung auf Standard-Siliziumwafern erheblich steigert.“ Das Team entwickelte eine einzigartige „biaxiale Kombinations-Sputter“-Technik, die eine kontinuierliche Anpassung von Wachstumstemperatur und Zusammensetzung auf einem einzelnen Wafer ermöglicht und so den Optimierungsprozess beschleunigt.
Mit dieser Methode identifizierte das Team die optimalen Bedingungen zur Induzierung der strukturellen Phasenumwandlung, die die atomare Struktur der Schicht in eine für elektronische und Energieerntegeräte besser geeignete Form überführt. Die resultierende bleifreie piezoelektrische Dünnschicht erreichte die höchste jemals für dieses Material gemessene piezoelektrische Reaktion, was darauf hindeutet, dass sie eine beträchtliche Menge an Ladung erzeugen kann. In Tests zeigte ein in einen MEMS-Vibrationsenergieerntekonverter integrierter Prototyp eine fünffach höhere Energieumwandlungseffizienz als frühere Versionen und arbeitete zuverlässig sowohl unter kontinuierlicher als auch stoßweiser Vibration, was ihn für reale Umgebungen wie Elektromotoren geeignet macht.
Da die Dünnschicht vollständig durch Standard-Silizium-Sputterverfahren hergestellt wird, ist die Methode für die Massenproduktion geeignet. Yoshimura weist darauf hin: „Unser Ziel ist es, die Anwendung auf intelligente Sensoren, das Internet der Dinge und energieautarke Geräte auszuweiten. Die praktische Einführung bleifreier piezoelektrischer Materialien kann dazu beitragen, die Umweltauswirkungen zukünftiger Elektronik zu reduzieren.“ Diese Forschung eröffnet neue Wege für die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Vibrationsenergieerntetechnologien und fördert die Anwendung bleifreier piezoelektrischer Materialien in der Elektronik.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Osaka Metropolitan University; Titel: „Lead-free thin films turn everyday vibrations into electricity“; Veröffentlicht in: „Microsystems & Nanoengineering“ (2026); Journal-Information: „Microsystems & Nanoengineering“.
