Учени и преподаватели от катедра „Микроелектроника“, Факултет по електронна техника и технологии на Техническия университет – София изградиха наноструктуриран пиезоелектричен материал под формата на нанонвлакна, които произвеждат електричество при приложен върху тях натиск.
Разработката е във връзка с дисертационен труд на маг. инж. Цветозар Цанев на тема: "Изследване на оксидни и хибридни оксид-полимерни пиезоелектрични елементи с приложение в наноелектромеханични системи (НЕМС)", под ръководството на проф. д-р Валентин Видеков и доц. д-р Мария Александрова – Пандиева. Част от финансовата подкрепа е осъществена от Научно-изследователския сектор на ТУ-София посредством научен проект в помощ на докторантите (№ 129ПД0006-03, конкурсна сесия 2019-2020 г).
Източник: Georgia Institute of Technology
В нашето съвремие нараства употребата на електронни и механични устройства, като успоредно с това се повишава и необходимостта от независимост при функципнирането им. Основен фактор за тази независимост е автономното захранване. При направени проучвания от екипа, ангажиран с разработката, бе установено, че това може да бъде постигнато чрез използването на пиезоелектричния ефект. Основният принцип на този ефент е, че при прилагане на натиск (механично натоварване) върху пиезоелектричен материал, той произвежда електричество. Системите, които използват електричеството, добито чрез пиезоелектричен ефект спадат към групата на НЕМС – наноелектромеханични системи. Те представляват съвременна технология с основна функция да "улавят" механичната енергията, за да я преобразуват в електрическа. Това се получава при периодично (повтарямо) прилагане на механично натоварване върху тях. Технологията е с широк спектър на прложения.
Източник: University of Cambridge
Някои от нововъзникащите приложения използващи този ефект са за захранване на сензори в биомедицината за следене функцията на определени органи. При този вид приложение няма възможност за използване на батерии, което дава предимство на този вид захранване.
1. Сърдечен ритъм
2. Изменение на кръвното налягане
3. Дишане
4. Движение на крайници
За биомедицински приложения безоловните пиезоелектрични материали са задължителни, тъй като съвместимоста с човешките тъкани е основен фактор.
Източник: Kerley R., Huang X., Ha D.S. (2016) Energy Harvesting from the Human Body and Powering up Implant Devices. In: Kyung CM. (eds) Nano Devices and Circuit Techniques for Low-Energy Applications and Energy Harvesting. KAIST Research Series. Springer, Dordrecht
Слеващото основно предизвикатество, което е и основен проблем при този вид системи, е че количеството "уловена" енергия е твърде малко за захранване на устройства с по-висока консумация. Новите екологични стандарти за използване на безоловни материали (Lead-free materials) допълнитено затрудняват изграждането на подобни устрйства. Това е така поради факта, че техните естествени възможности за преобразуване на механичната енергия в електрическа, произтичащи от природата на кристалната решетка, са заначително по-слаби (притежеават по-слаба способност за поляризация). Това налага усъвършенстване на системите по отношение на количеството генерирана (уловена) енергия чрез различни подходи.
Първият подход, използван от екипа, бе избирането на пиезоелектричен материал, който да отговаря на съвременните екологични стандарти и същевременно с това да питежава добри пиезоелектрични свойства. Възможностите за съвместимост с конвенционалното електронно производство при технологичното изграждане на пиезоелектричния слой, също бяха взети под внимание. Избраният материал се нарича калиев ниобат (KNbO3) и е от групата на модерните, безоловни материали, характеризиращи се с голяма асиметрия на градивните клетки на кристалната решетка, което е предпоставка за силна пиезоелектрична реакция дори при слабо механично натоварване. Едно от основните постижения на екипа бе получаването на нанопокрития от материала, хиляда пъти по-тънки от човешкия косъм, върху гъвкаво фолио. По този начин се придава компактност и възможност такова фолио да се прикрепи към човешкото тяло и да се активира периодично от движението на човек, като така произвежда макар и малко количество електроенергия.
Вторият подход за усъвършенстване на тези системи е чрез повишаване на добива на енергия, който се осъществява чрез наноструктуриране на избрания материал. Този подход се прилага с цел реализация на определена вътрешно структурна подредба на молекулите на материала. Начина на подреждане, може да бъде наблюдаван само в наноразмерната скала [nm] – а от там и името наноструктуриране. Тази подредба подобрява способностите на пиезоматериалите за генериране на електричество.
Други повишаващи добива фактори при метода са увеличаването на развитата функционална площ (при един и същ вътрешен обем се получава многократно увеличена работна площ). Това е основно свойсто при всички наноструктурирани материали. При постигане на определени геометрични структури, например нановлакна (в наноразмерната скала), могат да се получат области, които концентрират маханично приложеното натоварване, което допълнително подобрява пиезоектричните параметри на структурата. Вследствие на тези качества на наноструктурирането, пиезоелектричният материал беше структуриран, чрез плазмено отлагане в пореста матрица от алуминиев оксид, протичащо в среда на висок вакуум. Тази матрица се изгражда чрез анодиране на алуминий в различни киселинни разтвори и първоначално е била разработена от екипи на катедра "Микроелектроника" под ръководството на проф. Валентин Видеков, съвместно с доц. Боряна Цанева от катедра Химия (ТУ-София). Тя притежава пореста структура, като геометричните параметри на порите се определят от режимите на тяхното формиране. В последстви, порите биват запълнени с пиезоелектричния материал като той изцяло копира тяхната структура. По този начин се изграждат пиезоелектрични наноструктурирани влакна.
Източник: Микроскопска снимка (изглед отгоре) на нанопори от алуминиев оксид (~200 nm) под формата на матрица. Снимката е направена в Софийския университет и представлява един от образите, изготвени във връзка с проект в помощ на докторант и докторска дисертация.
Източник: Микроскопска снимка (изглед отстрани) на изградени пиеоелектричните ноновлакна
Снимка вляво: Големина и форма на генерираното напрежение 410 mV от наноструктуриаран образец с обем 0.001cm3.
Снимка вдясно: Големина и форма на генерираното напрежение 176 mV от неструктуриаран образец с обем 0.1cm3.
При прилагане на механично натоварване от няколко десетки грама върху структурите от нановлакна, те генерираха електрически сигнал до 2,3 пъти по-силен спрямо неструктуриран пиезоелектричен материал със същия обем. За да се направи правилно сравниение, механичната деформация беше еднаква и при двата образеца. Това показва, че този вид вид технология значително повишава добива на енергия и притежава потенциал за внедряване в реални устройства.
Бъдещата работа по дисертационния труд и втори етап на научния проект, ще бъде насочена към разработване на нови подходи за запълване на нанопорите с материали на органична основа (пиезомастила), с цел подобряване на биосъвместимостта на структурите.
Автори: Цветозар Цанев, Мария Александрова, Валентин Видеков
