Flexible, biocompatible lead-free piezoelectric thin films for biomedical applications

Abstract

I dette masterprosjektet ble fleksible, faserene, piezoelektriske kalium-natrium niobat (KNN) tynnfilmer produsert ved å legge en KNN tynnfilm på et termisk stabilt substrat og deretter overføre filmen til en fleksibel polymer. For å oppnå høy tetthet i keramiske tynnfilmer må de varmebehandles på høy temperatur. Dette betyr at man ikke kan legge oksidfilmer direkte på et fleksibelt polymersubstrat ettersom polymeren vil smelte under varmebehandlingen. For å oppnå keramiske filmer med høy tetthet må man derfor legge filmen på et midlertidig lag på toppen av et termisk stabilt substrat, og deretter fjerne dette midlertidige laget når polymeren har herdet på overflaten til keramfilmen. På denne måten unngår man at polymeren smelter under prosessen og man får en keramfilm på et fleksibelt polymersubstrat.

Sinkoksid (ZnO)-løsning ble spin-coatet på et termisk stabilt platinabelagt silisiumsubstrat og pyrolysert på 550 °C. Etter 10 lag med ZnO, ble filmen sintret på 700 °C, og denne ZnO tynnfilmen utgjorde det midlertidige laget. To lag med barium titanat (BT) ble lagt på ZnO filmen på samme måte som beskrevet over. En uniform tynnfilm med høy tetthet bestående av 10 lag KNN-løsning ble lagt oppå BT laget, etterfulgt av en platina bunnelektrode på toppen av KNN laget. Noen få dråper med polydimetylsiloksan (PDMS) ble spin-coatet på platinalaget og herdet i romtemperatur i syv dager. Da PDMS-laget var ferdig herdet, ble ZnO-laget etset bort ved å putte hele stabelen i 33 % eddiksyre, forvarmet til 60 °C. PDMS-Pt-KNN-BT laget ble frigjort fra silisiumsubstratet og platina toppelektroder ble lagt på BT-KNN-overflaten. På grunn av uforsiktig behandling av den keramiske tynnfilmen ble den knust før toppelektrodene ble lagt på, noe som medførte svake ferroelektriske hystereseløkker med lekkstrøm.

Det ble observert at sinkoksid fremmer vekst av sekundærfasen K4Nb6O17 når KNN-løsning legges direkte på sinkoksid. Dannelsen av K4Nb6O17 ble ikke påvirket av å endre atmosfæren i ovnen fra ren O2 til en 80/20 blanding av N2 og O2, men ved å øke sintringstemperaturen fra 700 °C til 750 °C ble det dannet en ny sekundærfase; K2Nb4O11.

Metoden viste seg å være en suksess for å lage faserene KNN tynnfilmer på en fleksibel polymer.

In this project phase pure, piezoelectric ceramic thin films were deposited on a thermally robust substrate using chemical solution deposition (CSD) and successfully transferred onto a polymer support. Dense oxide thin films require annealing at high temperatures, where most polymers decompose. Therefore, the ceramic film must first be grown on a thermally robust substrate and then transferred onto the polymer using a release layer.

Ten layers of zinc oxide (ZnO) solution were deposited and grown on a thermally robust platinum coated silicon (SiPt) substrate using CSD. The result was a dense and uniform thin film, that constituted the release layer. The same approach was used to deposit two layers of barium titanate (BT) solution on top of the ZnO thin film. Ten layers of potassium sodium niobate (KNN) solution were deposited on top of the BT thin film and formed a dense and uniform piezoelectric thin film. On top of the KNN thin film, a platinum bottom electrode was deposited. A few drops of polydimethylsiloxane (PDMS) were spin-coated on top of the Pt electrode and cured in room temperature for seven days. The curing of PDMS in room temperature prevented fractures in the ceramic thin film induced by shrinkage of the PDMS layer. The ZnO layer was etched away by immersing the sample stack (PDMS-Pt-KNN-BT-ZnO-SiPt) in 33 % acetic acid, preheated to 60 °C. Due to fracturing of the flexible piezoelectric thin film before deposition of Pt top electrodes, the ferroelectric measurements showed a leaking ferroelectric P-E hysteresis loop for the flexible thin film.

It was also observed that when KNN is deposited directly onto a ZnO thin film, K4Nb6O17 will nucleate in addition to K0.5Na0.5NbO3. Nucleation of K4Nb6O17 was not affected by changing the atmosphere from pure O2 to an 80/20 mixture of N2 and O2, however, increasing the annealing temperature from 700 °C to 750 °C resulted in the formation of a new secondary phase; K2Nb4O11. Introducing an intermediate layer of BT in between the zinc oxide layer and the KNN film was crucial to avoid nucleation of secondary phases of KNN and hence contribute to producing a phase pure KNN thin film. The ZnO induced island growth of BT, but this did not seem to affect the resulting thin film considerably.

The experimental procedure proved successful to prepare dense, phase pure KNN thin films with electrodes on a polymer support.