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Multi‐Length Engineering of (K, Na)NbO3 Films for Lead‐Free Piezoelectric Acoustic Sensors with High Sensitivity

压电 材料科学 压电响应力显微镜 微电子机械系统 压电系数 压电传感器 声学 光电子学 纳米技术 铁电性 复合材料 电介质 物理
作者
Yixuan Liu,Jinling Zhou,Yuqi Jiang,Chen‐Bo‐Wen Li,Chao Li,Jing‐Tong Lu,Ze Xu,Fang‐Zhou Yao,Nan Hu,Dawei Wang,Liqiang Xu,Yi‐Cheng Wang,Yijia Du,Jingkai Nie,Zhixiang Zhu,Wen Gong,Bing Han,Ke Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (12) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adfm.202312699
摘要

Abstract With increasing concerns about noise pollution, the pursuit of highly dependable piezoelectric acoustic sensors for real‐time noise monitoring has come to the forefront of scientific research. Lead‐based perovskite piezoelectric films, exemplified by lead zirconate titanate Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), surpass traditional piezoelectric materials such as ZnO and AlN in their piezoelectric properties, promising substantial advancements in next‐generation acoustic sensor technologies. However, the toxic nature of lead in PZT materials poses formidable environmental and human health risks. In an unprecedented breakthrough, it presents the pioneering development of an environmentally benign lead‐free piezoelectric Micro‐Electro‐Mechanical System (MEMS) acoustic sensor based on potassium sodium niobate (K,Na)NbO 3 (KNN) film. High‐quality <001> textured 3 µm‐thick KNN film is successfully integrated into commercially used Si substrate, rendering exceptional piezoelectricity (transverse piezoelectric coefficients e 31 * of ≈8.5 C m −2 ) with satisfactory thermal stability. The atomic‐scale Z ‐contrast imaging and piezoresponse force microscopy characterizations reveal that the outstanding piezoresponse originates from the local coexistence of multiple phases and the enhancement of extrinsic piezoelectric contributions from in‐plane polarization anisotropy. Finite element simulation is employed to design the triangular cantilever structure and annular diaphragm structure, each corresponding to different operating bandwidths. The resultant MEMS acoustic sensors stand out with outstanding acoustic performance (the high sensitivity and expansive receiving field of view), which are attributed to the microstructural engineering at multi‐length scales for the excellent piezoelectric properties of KNN film. These features enable sensitive acoustic monitoring in various environments, including large‐scale power grids and urban traffic.
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