Hовыe пьезо- и магнитоэлектрические материалы для электроники и медицины

Hовыe пьезо- и магнитоэлектрические материалы для электроники и медицины

А. Л. Холкин

Международный научно-исследовательский центр «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», Томский политехнический университет, Томск, Россия

Физический факультет и Институт материаловедения, Университет г. Авейро, Португалия

Недавние исследования выявили несколько новых классов пьезоэлектрических материалов, включая 2D-структуры (графен, структуры со связями ван дер Ваальса) и биомолекулярные кристаллы и пленки (самоорганизованные пептиды, аминокислоты). Пьезоэлектричество в них возникает из-за нарушения симметрии на интерфейсе с подложкой в первом случае и наличия анизотропных водородных связей в нанополостях во втором. Графен при контакте с оксидами обладает чрезвычайно высокой пьезоэлектрической активностью благодаря полярности связей С-О, тогда как пептидные нанотрубки (ПНТ) демонстрируют достаточно большой пьезоотклик (аналогичный LiNbO₃) за счет самосборки мономеров в присутствии молекул воды. Стабильная структура, возможность функционализации/легирования, биосовместимость, а также несложный синтез и воспроизводимая технология делают графен (оксид графена), ПНТ и другие биомолекулярные кристаллы (например, сегнетоэлектрик β-глицин) привлекательными альтернативами традиционным пьезоэлектрикам, таким как PZT и BaTiO₃. В докладе будут обсуждаться механизмы пьезоэлектрического эффекта в таких структурах, а также локальные пьезоэлектрические методы их исследования. Будет рассмотрен гибридный метод атомно-силовой микроскопии пьезоотклика (PFM), позволяющий измерять слабые деформации (до 0.1 пм) во время получения зависимостей сила-расстояние в каждом пикселе. Будут продемонстрированы несколько прототипов устройств, в том числе пьезоэлектрические мембраны на основе 2D-материалов (графена), кантилеверы на основе ПНТ и пьезоэлектрические/магнитоэлектрические скэффолды для биомедицинских применений. Недавнее обнаружение сильных пьезо- и магнитоэлектричества в биомолекулярных и композитных полимерных материалах показывает их привлекательность для применений из-за естественной биосовместимости (и биоразлагаемости) и способности работать в контакте с живыми клетками и биологическими жидкостями. При этом ожидается, что уменьшение размеров пьезоматериалов до наноразмеров (наночастицы, нановолокна, тонкие пленки и пр) значительно улучшит их характеристики, что сделает пьезоэлектрические наноустройства намного более эффективными, чем традиционные объемные материалы. В заключение будут рассмотрены некоторые результаты, полученные в рамках мегагранта 2020-220-08-9781.