Piezoelektricitet i 2-D halvleder lover for fremtidige MEMS

En dør er blevet åbnet til lav-effekt sluk/tænd kontakter i mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) og nanoelektroniske enheder, samt ultrafølsomme biosensorer, med den første observation af piezoelektricitet i en fritstående todimensionel halvleder af et team af forskere med DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Xiang Zhang, direktør for Berkeley Labs Materials Sciences Division og en international autoritet inden for nanoskalateknik, ledet en undersøgelse, hvor piezoelektricitet - omdannelsen af ​​mekanisk energi til elektricitet eller omvendt - blev demonstreret i et fritstående enkelt lag af molybdændisulfid, en 2D-halvleder, der er en potentiel efterfølger til silicium til hurtigere elektroniske enheder i fremtiden.

"Piezoelektricitet er en velkendt effekt i bulkkrystaller, men dette er den første kvantitative måling af den piezoelektriske effekt i et enkelt lag af molekyler, der har iboende dipoler i planet, " siger Zhang. "Opdagelsen af ​​piezoelektricitet på molekylært niveau er ikke kun fundamentalt interessant, men kan også føre til justerbare piezo-materialer og enheder til ekstremt lille kraftgenerering og sensing."

Zhang, som har Ernest S. Kuh Endowed Chair ved University of California (UC) Berkeley og er medlem af Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley, er den tilsvarende forfatter til et papir i Natur nanoteknologi beskriver denne forskning. Artiklen har titlen "Observation of Piezoelectricity in Free-standing Monolayer MoS2." Medforfatterne er Hanyu Zhu og Yuan Wang, begge medlemmer af Zhangs UC Berkeley forskningsgruppe. (Se nedenfor for en komplet liste over medforfattere.)

Siden opdagelsen i 1880, den piezoelektriske effekt har fundet bred anvendelse i bulkmaterialer, inklusive aktuatorer, sensorer og energihøstere. Der er stigende interesse for at bruge nanoskala piezoelektriske materialer til at give det lavest mulige strømforbrug til tænd/sluk-kontakter i MEMS og andre typer elektroniske computersystemer. Imidlertid, når materialetykkelsen nærmer sig et enkelt molekylært lag, den store overfladeenergi kan få piezoelektriske strukturer til at være termodynamisk ustabile.

I løbet af de sidste par år, Zhang og hans gruppe har udført detaljerede undersøgelser af molybdændisulfid, en 2D-halvleder med høj elektrisk ledningsevne, der kan sammenlignes med grafen, men, i modsætning til grafen, har naturlige energibåndgab, hvilket betyder, at dens ledningsevne kan slås fra.

"Overgangsmetal dichalcogenider såsom molybdændisulfid kan bevare deres atomare strukturer ned til enkeltlagsgrænsen uden gitterrekonstruktion, selv under omgivende forhold, " siger Zhang. "Seneste beregninger forudsagde eksistensen af ​​piezoelektricitet i disse 2D-krystaller på grund af deres brudte inversionssymmetri. For at teste dette, vi kombinerede et lateralt påført elektrisk felt med nano-indentation i et atomkraftmikroskop til måling af piezoelektrisk genereret membranspænding."

Zhang og hans gruppe brugte en fritstående molybdændisulfid enkeltlagskrystal for at undgå substrateffekter, såsom doping og parasitisk ladning, i deres målinger af den iboende piezoelektricitet. De registrerede en piezoelektrisk koefficient på 2,9×10-10 C/m, som kan sammenlignes med mange meget brugte materialer som zinkoxid og aluminiumnitrid.

"At kende den piezoelektriske koefficient er vigtigt for at designe atomisk tynde enheder og estimere deres ydeevne, " siger Natur papir medansvarlig forfatter Zhu. "Den piezoelektriske koefficient, vi fandt i molybdændisulfid, er tilstrækkelig til brug i laveffektlogiske kontakter og biologiske sensorer, der er følsomme over for molekylære massegrænser."

Zhang, Zhu og deres medforfattere opdagede også, at hvis flere enkeltlag af molybdændisulfidkrystal blev stablet oven på hinanden, piezoelektricitet var kun til stede i det ulige antal lag (1, 3, 5, etc.)

"Denne opdagelse er interessant ud fra et fysikperspektiv, da intet andet materiale har vist lignende lag-numre følsomhed, " siger Zhu. "Fænomenet kan også vise sig at være nyttigt til applikationer, hvor vi ønsker enheder bestående af så få som muligt materialetyper, hvor nogle områder af enheden skal være ikke-piezoelektriske."

Ud over logiske kontakter og biologiske sensorer, piezoelektricitet i molybdændisulfidkrystaller kan også finde anvendelse i den potentielle nye vej til kvanteberegning og ultrahurtig databehandling kaldet "valleytronics". I valleytronics, information er kodet i spin og momentum af en elektron, der bevæger sig gennem et krystalgitter som en bølge med energitoppe og dale.

"Nogle typer valleytronic-enheder afhænger af absolut krystalorientering, og piezoelektrisk anisotropi kan anvendes til at bestemme dette, ' siger Natur papirets co-lead forfatter Wang. "Vi undersøger også muligheden for at bruge piezoelektricitet til direkte at kontrollere valleytroniske egenskaber såsom cirkulær dikroisme i molybdændisulfid."