Neuer Motor für Nanomaschinen

Piezo-Modul wandelt hoch effizient elektrische Spannungen in Bewegungen um - Anwendung als Minikraftwerk vorstellbar

Piezo-Hebel unter dem Mikroskop
Piezo-Hebel unter dem Mikroskop

Madison (USA) - Manche Kristalle verändern ihr Form und bewegen sich, wenn sie unter Spannung gesetzt werden. Diesen sogenannten piezoelektrischen Effekt nutzten nun Materialforscher, um eine Art Motor zu entwickeln, der in winzigen Maschinen eingebaut werden könnte. Dazu gelang es ihnen erstmals, den Piezo-Kristall mit einem Träger aus Silizium zu kombinieren. Da sich Silizium mit den ausgereiften Methoden der Chipbauer effizient und kontrolliert bearbeiten lässt, liegt hier der Schlüssel für den Einsatz von Piezo-Motoren in mikroskopisch kleinen Maschinen, den sogenannten MEMS. Über ihre Arbeit berichteten die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Science".

"Diese hyperaktiven Heterostrukturen mit gigantischer Piezoeletrizität reagieren stark genug, um die MEMS-Aktuatoren zu revolutionieren", sagt Chang-Beom Eom, Materialforscher an der University of Wisconsin in Madison. Zusammen mit Kollegen weiterer amerikanischer Institute in Berkeley, Ann Arbor und Philadelphia wählte er eines der derzeit besten piezoelektrischen Materialien aus: Kristalle auf der Basis der Metalle Niob, Blei, Magnesium und Titan, kurz PMN-PT genannt. Im Vergleich zu anderen Piezoelektrika wie Bleizirkoniumtitanat ermöglicht dieser Werkstoff bis zu zehnmal größere Bewegungen bei gleichen, elektrischen Spannungen. Nur die Integration in mikrostrukturierte Bauteile auf Siliziumbasis gelang bisher nicht.

Dieses Problem lösten Eom und Kollegen mit einer wenige Dutzend Nanometer dicken Schicht aus Strontiumtitanat, die sie auf eine Siliziumoberfläche wachsen ließen. Auf diese Schicht folgte eine rund 100 Nanometer mächtige Lage aus Strontiumruthenat. Erst diese Sandwich-Struktur bot für einen einkristallinen Film aus dem Piezoelektrikum genug Halt. Diese gesamte, etwa 3,5 Millionstel Meter dicke Heterostruktur, die in Form eines Hebels aus dem Trägermaterial herausragte, analysierten die Forscher auf ihre piezoelektrischen Eigenschaften. Geringe, elektrische Spannungen von maximal 2,8 Volt reichten aus, um den Hebel um etwa einen Millionstel Meter auslenken zu können. Das ist deutlich mehr als mit anderen bisher verfügbaren Piezo-Modulen.

In weiteren Versuchen könnte dieses Piezo-Modul nun in verschiedenste Mikromaschinen (MEMS) integriert werden. Laut Chang-Beom Eom stehe nun ein Material zur Verfügung, um bessere Komponenten für Ultraschallgeräte in der Medizin oder für die Kontrolle von Flüssigkeiten in winzigen Lab-on-Chip-Systemen zu entwickeln. "Diese Forschung wird zu fundamentalen, wissenschaftlichen Erkenntnissen von neuen Phänomenen mit hyperaktiven, nanoskaligen elektromechanischen Modulen führen", ist der Forscher überzeugt. Da über den piezoelektrischen Effekt nicht nur elektrische Spannungen direkt in Bewegung, sondern umgekehrt auch aus Bewegungen elektrischer Strom erzeugt werden kann, sind auch effizientere Mini-Kraftwerke nun denkbar. Diese könnten in Textilien integriert oder gar implantiert werden, um genug Strom zum Betrieb von Sensoren beispielsweise zur Messung von Blutdruck oder Zuckerspiegel von Diabetes-Patienten zu liefern.