Straintronics:Ingeniører skaber piezoelektrisk grafen

I det, der blev kendt som 'Scotch tape -teknikken, "forskere ekstraherede først grafen med et stykke klæbemiddel i 2004. Grafen er et enkelt lag carbonatomer arrangeret i en bikage, sekskantet mønster. Det ligner kyllingetråd.

Graphene er et vidundermateriale. Det er hundrede gange bedre til at lede elektricitet end silicium. Det er stærkere end diamant. Og, kun et atom tykt, det er så tyndt, at det i det væsentlige er et todimensionalt materiale. En sådan lovende fysik har gjort grafen til det mest undersøgte stof i det sidste årti, især inden for nanoteknologi. I 2010, forskerne, der først isolerede den, delte Nobelprisen.

Endnu, mens grafen er mange ting, det er ikke piezoelektrisk. Piezoelektricitet er egenskab af nogle materialer til at producere elektrisk ladning, når den bøjes, klemt eller snoet. Måske vigtigere, piezoelektricitet er reversibel. Når et elektrisk felt anvendes, piezoelektriske materialer ændrer form, giver et bemærkelsesværdigt niveau af teknisk kontrol.

Piezoelektrik har fundet anvendelse i utallige enheder fra ure, radioer og ultralyd til trykknapstarterne på propangrill, men disse anvendelser kræver alle relativt store, tredimensionelle mængder af piezoelektriske materialer.

Nu, i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , to materialeteknikere i Stanford har beskrevet, hvordan de har konstrueret piezoelektriske til grafen, strækker sig for første gang sådan fin fysisk kontrol til nanoskalaen.

Straintronics

"De fysiske deformationer, vi kan skabe, er direkte proportionale med det anvendte elektriske felt, og dette repræsenterer en grundlæggende ny måde at styre elektronik på nanoskalaen, "sagde Evan Reed, leder af Materials Computation and Theory Group i Stanford og seniorforfatter af undersøgelsen. "Dette fænomen bringer en ny dimension til begrebet 'straintronics' for den måde, det elektriske felt belaster - eller deformerer - kulstofgitteret, får det til at ændre form på forudsigelige måder. "

"Piezoelektrisk grafen kunne levere en enestående grad af elektrisk, optisk eller mekanisk kontrol til applikationer lige fra berøringsskærme til nanoskala transistorer, "sagde Mitchell Ong, en postdoktor i Reeds laboratorium og første forfatter til papiret.

Ved hjælp af en sofistikeret modelleringsapplikation, der kører på højtydende supercomputere, ingeniørerne simulerede aflejring af atomer på den ene side af et grafengitter - en proces kendt som doping - og målte den piezoelektriske effekt.

De modellerede grafen dopet med lithium, brint, kalium og fluor, samt kombinationer af hydrogen og fluor og lithium og fluor på hver side af gitteret. Doping kun den ene side af grafen, eller doping begge sider med forskellige atomer, er nøglen til processen, da den bryder grafens perfekte fysiske symmetri, som ellers annullerer den piezoelektriske effekt.

Resultaterne overraskede begge ingeniører.

"Vi troede, at den piezoelektriske effekt ville være til stede, men relativt lille. Endnu, vi var i stand til at opnå piezoelektriske niveauer, der kan sammenlignes med traditionelle tredimensionelle materialer, "sagde Reed." Det var temmelig betydningsfuldt. "

Designer piezoelektricitet

"Vi var yderligere i stand til at finjustere effekten ved at mønstre doping grafen - selektivt placere atomer i bestemte sektioner og ikke andre, "sagde Ong." Vi kalder det designer piezoelektricitet, fordi det giver os mulighed for strategisk at kontrollere, hvor, hvornår og hvor meget grafen deformeres af et anvendt elektrisk felt med lovende konsekvenser for teknik. "

Selvom resultaterne i oprettelsen af ​​piezoelektrisk grafen er opmuntrende, forskerne mener, at deres teknik yderligere kan bruges til at konstruere piezoelektricitet i nanorør og andre nanomaterialer med applikationer lige fra elektronik, fotonik, og energiindsamling til kemisk sansning og højfrekvent akustik.

"Vi kigger allerede nu på nye piezoelektriske enheder baseret på andre 2D- og lavdimensionelle materialer i håb om, at de kan åbne nye og dramatiske muligheder inden for nanoteknologi, "sagde Reed.