Flydende metalsyntese for bedre piezoelektrik:Atomisk tyndt tin-monosulfid

Et RMIT-UNSW-samarbejde har anvendt flydende metalsyntese til piezoelektrik, fremme fremtidens fleksible, bærbar elektronik, og biosensorer, der trækker deres kraft fra kroppens bevægelser.

Materialer som atomisk tyndt tin-monosulfid (SnS) forventes at udvise stærke piezoelektriske egenskaber, omdannelse af mekaniske kræfter eller bevægelse til elektrisk energi. Denne ejendom, sammen med deres iboende fleksibilitet, gør dem til sandsynlige kandidater til at udvikle fleksible nanogeneratorer, der kan bruges i bærbar elektronik eller interne, selvdrevne biosensorer.

Imidlertid, til dato, dette potentiale er blevet holdt tilbage af begrænsninger i at syntetisere store, højkrystallinsk monolag tin-monosulfid (og andre gruppe IV monochalcogenider), med vanskeligheder forårsaget af stærk mellemlagskobling. Den nye undersøgelse løser dette problem ved at anvende en ny flydende-metal-teknik, udviklet hos RMIT, at syntetisere materialerne. Efterfølgende målinger bekræfter, at tin-monosulfid syntetiseret ved hjælp af den nye metode udviser fremragende elektroniske og piezoelektriske egenskaber. Den resulterende stabile, fleksibelt monolag tin-monosulfid kan inkorporeres i en række forskellige enheder til effektiv energihøst.

Arbejdet startede for over to et halvt år siden, og et stærkt samarbejde mellem RMIT og UNSW tillod dets udmøntning. Fru Hareem Khan, avisens første forfatter, udviste bemærkelsesværdig udholdenhed til at overvinde mange tekniske udfordringer for at demonstrere konceptets levedygtighed, med prof Yongxiang Li.

Syntese af flydende metal

Den hidtil usete synteseteknik involverer van der Waals-eksfoliering af et tinsulfid (SnS), der dannes på overfladen af ​​tin, når det smeltes, mens den udsættes for omgivelserne af svovlbrinte (H ₂ S) gas. H ₂ S nedbrydes på grænsefladen og svovler overfladen af ​​smelten til dannelse af SnS.

Teknikken er lige så anvendelig til andre monolag gruppe IV monochalcogenid, som forventes at udvise den samme stærke piezoelektricitet. Denne flydende metalbaserede metode giver os mulighed for at udvinde homogene og storskala monolag af SnS med minimale korngrænser.

Målinger bekræfter, at materialet har høj bærermobilitet og piezoelektrisk koefficient, hvilket udmønter sig i exceptionelle spidsværdier for genereret spænding og belastningseffekt for en bestemt påført belastning, imponerende højere end nogen tidligere rapporteret 2-D nanogenerator.

Enhedernes høje holdbarhed og fleksibilitet er også demonstreret. Dette er bevis på, at det meget stabile, som syntetiserede monolag SnS kan implementeres kommercielt i strømgenererende nanoenheder. De kan også bruges til at udvikle transducere til høst af mekaniske menneskelige bevægelser, i overensstemmelse med de nuværende teknologiske tilbøjeligheder til smart, bærbar og fleksibel elektronik.

Resultaterne er et skridt i retning af piezoelektrisk-baseret, fleksibel, Bærbare energiopfangende enheder. Det præsenterer også en hidtil uset synteseteknik til store (wafer) tin-monosulfid monolag.

Piezoelektriske materialer

Piezoelektriske materialer kan omdanne påført mekanisk kraft eller belastning til elektrisk energi. Bedst kendt for den simple "piezo" lighter, der bruges til gasgrill og komfurer, piezoelektriske enheder, der registrerer pludselige ændringer i accelerationen, bruges til at udløse køretøjets airbags, og mere følsomme enheder genkender orienteringsændringer i mobiltelefoner eller danner grundlag for lyd- og tryksensorer.

Endnu mere følsomme piezoelektriske materialer kan drage fordel af de små spændinger, der genereres af ekstremt lille mekanisk forskydning, vibrationer, bøjning eller strækning for at drive miniaturiserede enheder, for eksempel biosensorer indlejret i den menneskelige krop, fjerner behovet for en ekstern strømkilde.

Studiet, "Flydende metalbaseret syntese af højtydende monolag SnS piezoelektriske nanogeneratorer, " blev offentliggjort i Naturkommunikation i juli 2020.