Forskere udvikler verdens tyndeste elektriske generator

Forskere fra Columbia Engineering og Georgia Institute of Technology rapporterer i dag, at de har foretaget den første eksperimentelle observation af piezoelektricitet og den piezotroniske effekt i et atomisk tyndt materiale, molybdændisulfid (MoS2), resulterer i en unik elektrisk generator og mekanosensationsenheder, der er optisk gennemsigtige, ekstremt let, og meget bøjelig og strækbar.

I et papir offentliggjort online den 15. oktober, 2014, i Natur , forskningsgrupper fra de to institutioner demonstrerer den mekaniske generering af elektricitet fra det todimensionelle (2D) MoS2-materiale. Den piezoelektriske effekt i dette materiale var tidligere blevet forudsagt teoretisk.

Piezoelektricitet er en velkendt effekt, hvor strækning eller komprimering af et materiale får det til at generere en elektrisk spænding (eller omvendt, hvor en påført spænding får den til at udvide sig eller trække sig sammen). Men for materialer med kun få atomtykkelser, der er ikke foretaget eksperimentel observation af piezoelektricitet, indtil nu. Observationen rapporteret i dag giver en ny egenskab for todimensionelle materialer såsom molybdændisulfid, åbner muligheden for nye typer af mekanisk styrede elektroniske enheder.

"Dette materiale - kun et enkelt lag atomer - kunne laves som en bærbar enhed, måske integreret i tøj, at konvertere energi fra din kropsbevægelse til elektricitet og forsyne bærbare sensorer eller medicinsk udstyr, eller måske levere nok energi til at oplade din mobiltelefon i lommen, " siger James Hone, professor i maskinteknik ved Columbia og medleder af forskningen.

"Bevis for den piezoelektriske effekt og piezotroniske effekt tilføjer nye funktionaliteter til disse todimensionelle materialer, " siger Zhong Lin Wang, Regents 'professor ved Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering og en medleder af forskningen. "Materialsamfundet er begejstret for molybdændisulfid, og demonstration af den piezoelektriske effekt i det tilføjer en ny facet til materialet."

Hone og hans forskergruppe demonstrerede i 2008, at grafen, en 2D form for kulstof, er det stærkeste materiale. Han og Lei Wang, en postdoc i Hones gruppe, har aktivt udforsket de nye egenskaber af 2D-materialer som grafen og MoS2, når de strækkes og komprimeres.

Zhong Lin Wang og hans forskningsgruppe var pioner inden for piezoelektriske nanogeneratorer til at konvertere mekanisk energi til elektricitet. Han og postdoc Wenzhuo Wu udvikler også piezotroniske enheder, som bruger piezoelektriske ladninger til at styre strømmen af ​​strøm gennem materialet ligesom gate-spændinger gør i konventionelle tre-terminal transistorer.

Der er to nøgler til at bruge molybdændisulfid til at generere strøm:Brug et ulige antal lag og bøje det i den rigtige retning. Materialet er meget polært, men, Zhong Lin Wang bemærker, så et lige antal lag ophæver den piezoelektriske effekt. Materialets krystallinske struktur er også piezoelektrisk i kun visse krystallinske orienteringer.

For Natur undersøgelse, Hones team placerede tynde flager af MoS2 på fleksible plastiksubstrater og bestemte, hvordan deres krystalgitter blev orienteret ved hjælp af optiske teknikker. De mønstrede derefter metalelektroder på flagerne. I forskning udført på Georgia Tech, Wangs gruppe installerede måleelektroder på prøver leveret af Hones gruppe, målte derefter strømstrømmene, da prøverne blev mekanisk deformeret. De overvågede omdannelsen af ​​mekanisk til elektrisk energi, og observerede spændings- og strømudgange.

Forskerne bemærkede også, at udgangsspændingen skiftede fortegn, når de ændrede retningen af ​​påført belastning, og at det forsvandt i prøver med et lige antal atomlag, bekræfter teoretiske forudsigelser offentliggjort sidste år. Tilstedeværelsen af ​​piezotronisk effekt i ulige lag MoS2 blev også observeret for første gang.

"Det, der virkelig er interessant, er, at vi nu har fundet ud af, at et materiale som MoS2, som ikke er piezoelektrisk i bulkform, kan blive piezoelektrisk, når det fortyndes til et enkelt atomlag, " siger Lei Wang.

At være piezoelektrisk, et materiale skal bryde central symmetri. Et enkelt atomlag af MoS2 har en sådan struktur, og skal være piezoelektrisk. Imidlertid, i bulk MoS2, successive lag er orienteret i modsatte retninger, og generere positive og negative spændinger, der ophæver hinanden og giver nul netto piezoelektrisk effekt.

"Dette tilføjer endnu et medlem til familien af ​​piezoelektriske materialer til funktionelle enheder, " siger Wenzhuo Wu.

Faktisk, MoS2 er blot en af ​​en gruppe af 2D-halvledende materialer kendt som overgangsmetal dichalcogenider, som alle forudsiges at have lignende piezoelektriske egenskaber. Disse er en del af en endnu større familie af 2D-materialer, hvis piezoelektriske materialer forbliver uudforskede. Vigtigt, som det er blevet vist af Hone og hans kolleger, 2D-materialer kan strækkes meget længere end konventionelle materialer, især traditionel keramisk piezoelektrik, som er ret skøre.

Forskningen kan åbne døren til udvikling af nye anvendelser for materialet og dets unikke egenskaber.

"Dette er det første eksperimentelle arbejde på dette område og er et elegant eksempel på, hvordan verden bliver anderledes, når størrelsen af ​​materialet krymper til skalaen af ​​et enkelt atom, " tilføjer Hone. "Med det, vi lærer, vi er ivrige efter at bygge nyttige enheder til alle slags applikationer."

Ultimativt, Zhong Lin Wang bemærker, forskningen kan føre til komplette atomtykke nanosystemer, der er selvdrevne ved at høste mekanisk energi fra miljøet. Denne undersøgelse afslører også den piezotroniske effekt i todimensionelle materialer for første gang, som i høj grad udvider anvendelsen af ​​lagdelte materialer til menneske-maskine grænseflader, robotteknologi, MEMS, og aktiv fleksibel elektronik.