Het blijkt mogelijk op mechanische wijze elektricteit op te wekken op nanoschaal, en omgekeerd, met elektriciteit mechanische vervorming te creëren, zo hebben onderzoekers van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente aangetoond. Het lukte het lab om een lipje van 70 nm dik in trilling te brengen met dit piëzo-effect.

Piëzo-materiaal heeft de bijzondere eigenschap dat een mechanische spanning zorgt voor een elektrische vonk. Een voorbeeld hiervan dat iedereen kent is de ontsteker van een gasvlam. Het effect berust op de interne structuur van het gebruikte kristalmateriaal, meestal lood-zirkoon-titaan-oxide. Voor piëzo-toepassingen op nanoschaal is dat materiaal echter minder geschikt.  ‘Bij miniaturisering wordt het piëzo-effect steeds kleiner’, zegt Guus Rijnders, hoogleraar nano-elektrische materialen bij MESA+.

Nanoschaal

Er zijn materialen die een soortgelijk piëzo-effect hebben, maar op basis van een ander principe. ‘Deze flexo-elektrische materialen hebben een interne elektrische polariteit die toeneemt naarmate ze niet-uniform worden vervormd.’ Door deze vervorming is het mogelijk om een spanningsverschil te genereren of vice versa. Juist dit materiaal is wel geschikt om piëzo-achtige elementen op nanoschaal te maken. ‘De niet-uniforme vervorming wordt op nanoschaal alleen maar groter omdat je met een heel dun laagje werkt.’

Trillende nanopiëzo (kleur is een maat voor de uitwijking).

Rijnders is er nu voor het eerst in geslaagd om op nanoschaal zo’n piëzo-element op basis van flexo-elektriciteit te maken.  Hij gebruikte daarvoor strontium-titaan-oxide. Het gaat om een lipje van 16 bij 40 µm en 70 nm dik.  Het effect kon worden aangetoond door op het lipje een wisselspanning te zetten waardoor het begint te trillen.

Geen lood

Rijnders ziet veel voordelen van het nieuwe flexo-elektrische materiaal. ‘Anders dan het nu gebruikelijke piëzo-materiaal bevat het geen lood, en het laat zich prima binnen bestaande chipproductieprocessen integreren. Er is bovendien een hele range aan flexo-elektrische materialen die in principe zijn te gebruiken.’

Toepassing

Als eerste toepassing denkt Rijnders aan het lab-on-a-chip waaraan MESA+ werkt dat in urine of bloed de aanwezigheid van bepaalde moleculen kan vaststellen. ‘Het idee is dat die moleculen aan een lipje hechten en zo de eigenfrequentie ervan veranderen. Onze ‘nano-piëzo’ is voor die toepassing bij uitstek geschikt.’