In wat bekend werd als de 'Scotch tape-techniek, "Onderzoekers extraheren grafeen voor het eerst met een stukje lijm in 2004. Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraat, zeshoekig patroon. Het lijkt op kippengaas.

Grafeen is een wondermateriaal. Het is honderd keer beter in het geleiden van elektriciteit dan silicium. Het is sterker dan diamant. En, slechts één atoom dik, het is zo dun dat het in wezen een tweedimensionaal materiaal is. Dergelijke veelbelovende fysica heeft van grafeen de meest bestudeerde stof van het afgelopen decennium gemaakt, vooral in nanotechnologie. In 2010, de onderzoekers die het voor het eerst isoleerden, deelden de Nobelprijs.

Nog, terwijl grafeen veel dingen is, het is niet piëzo-elektrisch. Piëzo-elektriciteit is het eigendom van sommige materialen om elektrische lading te produceren wanneer ze worden gebogen, geperst of gedraaid. Misschien nog belangrijker, piëzo-elektriciteit is omkeerbaar. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, piëzo-elektrische materialen veranderen van vorm, wat een opmerkelijk niveau van technische controle oplevert.

Piëzo-elektriciteit heeft toepassing gevonden in talloze apparaten van horloges, radio's en echografie naar de drukknopstarters op propaanroosters, maar deze toepassingen vereisen allemaal relatief grote, driedimensionale hoeveelheden piëzo-elektrische materialen.

Nutsvoorzieningen, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , twee materiaalingenieurs van Stanford hebben beschreven hoe ze piëzo-elektriciteit hebben omgezet in grafeen, voor het eerst een dergelijke fijne fysieke controle uitbreiden naar de nanoschaal.

Straintronics

"De fysieke vervormingen die we kunnen creëren, zijn recht evenredig met het aangelegde elektrische veld en dit vertegenwoordigt een fundamenteel nieuwe manier om elektronica op nanoschaal te regelen, " zei Evan Reed, hoofd van de Materials Computation and Theory Group aan Stanford en senior auteur van de studie. "Dit fenomeen geeft een nieuwe dimensie aan het concept van 'straintronics' voor de manier waarop het elektrische veld het rooster van koolstof spant - of vervormt, waardoor het op voorspelbare manieren van vorm verandert."

"Piëzo-elektrisch grafeen zou een ongeëvenaarde mate van elektrische, optische of mechanische besturing voor toepassingen variërend van touchscreens tot transistors op nanoschaal, " zei Mitchell Ong, een postdoctoraal wetenschapper in Reed's lab en eerste auteur van het artikel.

Met behulp van een geavanceerde modelleringstoepassing die draait op supercomputers met hoge prestaties, de ingenieurs simuleerden de afzetting van atomen aan één kant van een grafeenrooster - een proces dat bekend staat als doping - en maten het piëzo-elektrische effect.

Ze modelleerden grafeen gedoteerd met lithium, waterstof, kalium en fluor, evenals combinaties van waterstof en fluor en lithium en fluor aan weerszijden van het rooster. Doping slechts één kant van het grafeen, of beide kanten doping met verschillende atomen, is de sleutel tot het proces omdat het de perfecte fysieke symmetrie van grafeen doorbreekt, die anders het piëzo-elektrische effect opheft.

De resultaten verrasten beide ingenieurs.

"We dachten dat het piëzo-elektrische effect aanwezig zou zijn, maar relatief klein. Nog, we waren in staat om piëzo-elektrische niveaus te bereiken die vergelijkbaar zijn met traditionele driedimensionale materialen, "zei Reed. "Het was behoorlijk belangrijk."

Designer piëzo-elektriciteit

"We waren verder in staat om het effect te verfijnen door het patroon van het grafeen te doteren - selectief atomen in specifieke secties te plaatsen en niet in andere, " zei Ong. "We noemen het designer piëzo-elektriciteit omdat het ons in staat stelt strategisch te bepalen waar, wanneer en hoeveel het grafeen wordt vervormd door een toegepast elektrisch veld met veelbelovende implicaties voor engineering."

Hoewel de resultaten bij het maken van piëzo-elektrisch grafeen bemoedigend zijn, de onderzoekers geloven dat hun techniek verder kan worden gebruikt om piëzo-elektriciteit in nanobuizen en andere nanomaterialen te ontwikkelen met toepassingen variërend van elektronica, fotonica, en energiewinning tot chemische detectie en hoogfrequente akoestiek.

"We kijken nu al naar nieuwe piëzo-elektrische apparaten op basis van andere 2D- en laagdimensionale materialen in de hoop dat ze nieuwe en dramatische mogelijkheden in nanotechnologie kunnen openen, " zei Riet.