Forskere viser, at bøjning af halvledere genererer elektricitet

Nogle materialer kan generere en lille spænding, når de bøjes og, omvendt, kan bøjes som reaktion på en spænding. Dette fænomen kaldes flexoelektricitet, og indtil nu, man troede, at effekten kun fandtes i elektriske isolatorer (materialer, der ikke leder elektricitet). Imidlertid, et forskerhold fra Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i Barcelona rapporterer i dag i en artikel i Natur at flexoelektriske effekter er mere allestedsnærværende end tidligere antaget. ICN2-forskerne rapporterer, at halvledere, som kan opfattes som halvvejs mellem elektriske isolatorer og faktiske metaller, også generere elektricitet som reaktion på bøjning.

Dette er vigtigt, fordi halvledere er en fælles familie af materialer, der almindeligvis anvendes i transistorer (hjertet af integrerede kredsløb) og fotovoltaiske celler. De nye resultater viser, at det i princippet er muligt at bruge dem som tryksensorer og elektriske mikrogeneratorer.

Forfatterne af undersøgelsen er Dr. Jackeline Narvaez, Ph.d.-studerende Fabián Vásquez-Sancho, og ICREA forskningsprofessor Gustau Catalan.

Udbredt flexoelektricitet

Fleksoelektricitet sker som en konsekvens af enhver asymmetri i deformationen af ​​et materiale. Bøjning af et materiale tvinger atomerne tættere sammen inde i bøjningen, og længere fra hinanden på ydersiden. Denne omfordeling af atomerne tvinger omfordelingen af ​​deres elektriske ladninger, som kan udnyttes til at etablere en elektrisk strøm mellem indersiden og ydersiden af ​​bøjningen.

Indtil nu, man vidste, at alle elektriske isolatorer kan være flexoelektriske. Den overraskende opdagelse fra ICN2-forskerne er, at halvledere også kan være flexoelektriske – og faktisk, de kan generere mere ladning end isolatorer. Nøgleingrediensen i denne nye bøjningsinducerede elektricitet er i materialernes overflade.

Overfladen er enheden

Det Natur artikel, offentliggjort online i dag, beskriver, hvordan krystaller af et oprindeligt isolerende materiale er i stand til at generere 1000 gange mere bøjningselektricitet, når de dopes til halvledere. Årsagen er, at selvom indersiden af ​​disse krystaller bliver ledende som følge af doping, overfladerne forbliver isolerende. Det betyder, at overfladerne ikke kun stadig kan polarisere, men derudover de får et ekstra løft fra det halvledende interiør.

Fordi den elektromekaniske respons i halvledere er domineret af overfladen snarere end bulken, forfatterne kalder denne effekt "flexoelektrisk-lignende." Reaktionen er identisk med flexoelektricitet fra et praktisk synspunkt - det er en elektrisk strøm, der genereres som reaktion på bøjning - men forskellig fra det grundlæggende synspunkt om dens oprindelse.

Det er også bemærkelsesværdigt, at måling af overfladens flexoelektriske respons er en vigtig videnskabelig milepæl i sig selv. I alle tidligere målinger, som blev udført i isolatorer i stedet for halvledere, overfladesignalet var altid blandet med bulksignalet, der kom fra krystallens indre. Det er første gang, at overfladens respons er blevet målt separat.

Fleksoelektriske halvledere er også konkurrencedygtige i makroskalaen

Traditionel flexoelektricitet (dvs. flexoelektricitet af isolatorer) er vigtig på nanoskalaen. Indtil nu, imidlertid, det var ikke praktisk på makroskalaen. I stedet, den dominerende effekt på makroskalaen var piezoelektricitet, hvorved nogle materialer genererer elektricitet som reaktion på komprimering, frem for at bøje sig. Årsagen er, at materialer er meget sværere at bøje, når de er tykke (makroskala), end når de er tynde (nanoskala), hvilket er intuitivt – tænk bare på, hvor meget sværere det er at bøje en 1000-siders bog sammenlignet med at bøje et ark papir.

Imidlertid, den flexoelektrisk-lignende respons af halvledere har en vigtig egenskab:Den øges med tykkelsen af ​​materialet. Dermed, tabet af fleksibilitet kompenseres af stigningen i flexoelektricitet, og dette tillader et konkurrencedygtigt output uafhængigt af enhedens tykkelse. Afgørende, denne flexoelektrisk-lignende respons kan i princippet være til stede i ethvert halvledende materiale, der henviser til, at piezoelektricitet kun er mulig i et begrænset antal materialer, hvoraf de bedste er blybaserede og derfor giftige.

Forfatterne er så overbeviste om den potentielle nytte af deres opdagelse, at de har indgivet patent og i øjeblikket søger industrielle partnere til at udvikle teknologiske anvendelser af halvleder-flexoelektricitet.