2D-grænser kunne skabe elektricitet

Der er stadig masser af plads i bunden til at generere piezoelektricitet. Ingeniører ved Rice University og deres kolleger viser vejen.

En ny undersøgelse beskriver opdagelsen af ​​piezoelektricitet - fænomenet, hvorved mekanisk energi bliver til elektrisk energi - på tværs af fasegrænser af todimensionelle materialer.

Arbejdet ledet af Rice-materialeforskerne Pulickel Ajayan og Hanyu Zhu og deres kolleger ved Rices George R. Brown School of Engineering, University of Southern California, University of Houston, Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory og Pennsylvania State University vises i Avanceret materialer .

Opdagelsen kan hjælpe med udviklingen af ​​stadigt mindre nanoelektromekaniske systemer, enheder, der for eksempel kan bruges til at drive små aktuatorer og implanterbare biosensorer og ultrafølsomme temperatur- eller tryksensorer.

Forskerne viser, at det atomisk tynde system af et metallisk domæne, der omgiver halvledende øer, skaber en mekanisk respons i materialets krystalgitter, når det udsættes for en påført spænding.

Tilstedeværelsen af ​​piezoelektricitet i 2D-materialer afhænger ofte af antallet af lag, men at syntetisere materialerne med et præcist antal lag har været en formidabel udfordring, sagde Rice-forsker Anand Puthirath, medforfatter af papiret.

"Vores spørgsmål var, hvordan man laver en struktur, der er piezoelektrisk i flere tykkelsesniveauer - monolag, dobbeltlag, trelag og endda bulk - fra selv ikke-piezoelektrisk materiale," sagde Puthirath. "Det plausible svar var at lave en endimensionel metal-halvlederforbindelse i en 2D-heterostruktur, og dermed introducere krystallografisk såvel som ladningsasymmetri ved krydset."

"Den laterale forbindelse mellem faser er meget interessant, da den giver atomisk skarpe grænser i atomisk tynde lag, noget vores gruppe var pioner for næsten et årti før," sagde Ajayan. "Dette giver en mulighed for at konstruere materialer i 2D for at skabe enhedsarkitekturer, der kunne være unikke i elektroniske applikationer."

Forbindelsen er mindre end 10 nanometer tyk og dannes, når tellurgas indføres, mens molybdænmetal danner en film på siliciumdioxid i en kemisk dampaflejringsovn. Denne proces skaber øer af halvledende molybdæntelluridfaser i havet af metalliske faser.

Påføring af spænding til krydset via spidsen af ​​et piezoresponskraftmikroskop genererer en mekanisk respons. Det måler også omhyggeligt styrken af ​​piezoelektricitet skabt ved krydset.

"Forskellen mellem gitterstrukturerne og elektrisk ledningsevne skaber asymmetri ved fasegrænsen, der i det væsentlige er uafhængig af tykkelsen," sagde Puthirath. Det forenkler forberedelsen af ​​2D-krystaller til applikationer som miniaturiserede aktuatorer.

"En heterostrukturgrænseflade giver meget mere frihed til tekniske materialers egenskaber end en bulk enkelt forbindelse," sagde Zhu. "Selvom asymmetrien kun eksisterer på nanoskalaen, kan den have betydelig indflydelse på makroskopiske elektriske eller optiske fænomener, som ofte er domineret af grænsefladen." + Udforsk yderligere

2-D oxidflager opfanger overraskende elektriske egenskaber