Datadrevet opdagelse af NbOI2 som en højtydende lagdelt piezoelektrisk

Piezoelektriske materialer kan omdanne mekanisk energi til elektrisk energi og omvendt. I de senere år har der været stigende interesse for søgningen efter todimensionel (2D) lagdelt piezoelektrik. Sådanne lagdelte van der Waals piezoelektriske komponenter er særligt nyttige til nicheapplikationer såsom aktuatorer med præcision i atomskala og bærbare sensorer. Derudover kan 2D piezoelektrik fungere som strømgeneratorer i nanoskala til enheder i nanoskala.

Opdagelsen af ​​2D piezoelektrik har for det meste været på ad hoc-basis. En systematisk søgning gennem en 2D-materialedatabase er påkrævet for at afdække 2D-materialer, der er mest egnede til brug som piezoelektrik. Forskerholdet ledet af lektor Quek Su Ying fra Institut for Fysik, National University of Singapore, udførte en sådan systematisk søgning gennem en database med 2.940 lagdelte van der Waals-materialer ved hjælp af high-throughput first princips-beregninger. Af de 2.940 materialer identificerede holdet 109 materialer, der udviser piezoelektriske effekter i enkeltlagsform. Blandt disse materialer viser sig omkring 10 af dem at have usædvanligt store piezoelektriske koefficienter, hvor den højeste er dem for NbOI₂ . Materialer med høje piezoelektriske koefficienter giver generelt bedre piezoelektrisk ydeevne.

Den fremragende piezoelektriske ydeevne af NbOI₂ afspejles i dens forudsagte elektromekaniske koblingsfaktor, som har den maksimalt mulige værdi af enhed i dette materiale. Forskerholdet isolerede få-lags NbOI₂ krystaller og udførte laserscanningsvibrometerundersøgelser på bulk og få-lags NbOI₂ krystaller til at måle deres piezoelektriske respons. De fandt ud af, at NbOI₂ viste en piezoelektrisk respons, der er meget større end referencematerialer i både bulk- og fålagsprøverne.

NbOI₂ tilhører en familie af niobiumoxidihalogenider (NbOX₂ :X =Cl, Br, I) som har store piezoelektriske koefficienter. Forskerne lavede en mere detaljeret undersøgelse af denne materialefamilie og fandt ud af, at NbOX₂ har en iboende ferroelektrisk polarisation, da dens krystalstruktur ikke er symmetrisk i x-retningen). Interessant nok er de piezoelektriske koefficienter de største for NbOI₂ , mens den ferroelektriske polarisation er størst for NbOCl₂ .

Prof Quek sagde:"Klassen af ​​NbOX₂ materialer har et stort potentiale for anvendelser. Vores arbejde viste, at et af dets medlemmer, NbOI₂ , havde den bedste piezoelektriske ydeevne blandt de 2.940 materialer i vores undersøgelse. Desuden fandt vi ud af, at dens piezoelektriske ydeevne er uafhængig af tykkelsen. Dette er i modsætning til andre 2D piezoelektriske stoffer såsom molybdændisulfid, hvor piezoelektriciteten ikke er til stede, når der er et lige antal lag. Tykkelsesuafhængigheden af ​​piezoelektricitet i NbOX₂ er nyttig til praktiske anvendelser, hvor styringen af ​​materialetykkelsen kan være særlig udfordrende." + Udforsk yderligere

Undersøgelse udfordrer standardideer om piezoelektricitet i ferroelektriske krystaller