Đây là bước tiến quan trọng hướng tới các thiết bị thu hoạch năng lượng thân thiện với môi trường, đồng thời tương thích với quy trình sản xuất bán dẫn hiện nay.

Vì sao cần vật liệu áp điện không chì?

Vật liệu áp điện có khả năng tạo ra điện tích khi chịu ứng suất cơ học và biến dạng khi có điện trường. Chúng xuất hiện phổ biến trong micro, loa, tai nghe – nơi rung động được chuyển thành sóng âm.

Tuy nhiên, những vật liệu áp điện hiệu suất cao nhất hiện nay vẫn dựa vào chì – vốn gây hại cho môi trường. Một lựa chọn thay thế là bismuth ferrite (BiFeO₃), nhưng vật liệu này gặp hạn chế do rò rỉ điện cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp.

Kỹ thuật chế tạo trên silicon

Nhóm nghiên cứu đã phát triển phim siêu mỏng bismuth ferrite pha tạp mangan trực tiếp trên wafer silicon. Thách thức lớn là bismuth ferrite vốn không tương thích với silicon: trong khi silicon tạo ra ứng suất kéo khi làm mát, vật liệu này lại cần ứng suất nén để tăng tính áp điện.

Thay vì tránh ứng suất kéo, nhóm đã tận dụng nó để kích hoạt chuyển pha cấu trúc – từ dạng rhombohedral sang monoclinic – giúp cải thiện đáng kể hiệu suất áp điện.

Phương pháp sputtering mới

Để đạt được điều này, nhóm đã phát triển kỹ thuật “biaxial combinatorial sputtering”, cho phép kiểm soát đồng thời nhiệt độ và thành phần trên cùng một wafer. Nhờ đó, hàng chục điều kiện tăng trưởng có thể được thử nghiệm cùng lúc, rút ngắn quá trình tối ưu hóa so với phương pháp thử-sai truyền thống.

Kết quả: Hiệu suất thu năng lượng vượt trội

Các phim mỏng mới đạt phản ứng áp điện cao nhất từng được báo cáo cho vật liệu này. Khi tích hợp vào thiết bị thu hoạch năng lượng từ rung động, chúng cho thấy hiệu suất chuyển đổi gấp 5 lần so với phiên bản trước, hoạt động tốt cả trong môi trường rung liên tục lẫn rung đột ngột – ví dụ như trong động cơ hoặc thiết bị chịu va đập.

Vì được chế tạo hoàn toàn bằng sputtering trên wafer silicon tiêu chuẩn, công nghệ này phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

“Chúng tôi hướng tới mở rộng ứng dụng sang cảm biến thông minh, thiết bị IoT và các hệ thống tự cấp nguồn. Việc ứng dụng vật liệu áp điện không chì sẽ góp phần giảm tác động môi trường của thiết bị điện tử trong tương lai,” – TS. Takeshi Yoshimura, tác giả chính, chia sẻ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Microsystems & Nanoengineering với tiêu đề:
“Enhanced electromechanical coupling in piezoelectric MEMS vibration energy harvesters via strain-induced phase transition in Mn-doped bismuth ferrite epitaxial films” (DOI: 10.1038/s41378-026-01177-5).