Onderzoekers van Columbia Engineering en het Georgia Institute of Technology melden vandaag dat ze de eerste experimentele waarneming hebben gedaan van piëzo-elektriciteit en het piëzotronische effect in een atomair dun materiaal, molybdeendisulfide (MoS2), resulterend in een unieke elektrische generator en mechanosensatie-apparaten die optisch transparant zijn, extreem licht, en zeer buigzaam en rekbaar.

In een artikel dat op 15 oktober online is gepubliceerd, 2014, in Natuur , onderzoeksgroepen van de twee instellingen demonstreren de mechanische opwekking van elektriciteit uit het tweedimensionale (2D) MoS2-materiaal. Het piëzo-elektrische effect in dit materiaal was eerder theoretisch voorspeld.

Piëzo-elektriciteit is een bekend effect waarbij het uitrekken of samendrukken van een materiaal ervoor zorgt dat het een elektrische spanning genereert (of omgekeerd, waarin een aangelegde spanning ervoor zorgt dat deze uitzet of krimpt). Maar voor materialen van slechts enkele atoomdiktes, er is geen experimentele waarneming van piëzo-elektriciteit gedaan, tot nu. De vandaag gerapporteerde waarneming biedt een nieuwe eigenschap voor tweedimensionale materialen zoals molybdeendisulfide, het potentieel openen voor nieuwe soorten mechanisch bestuurde elektronische apparaten.

"Dit materiaal - slechts een enkele laag atomen - zou kunnen worden gemaakt als een draagbaar apparaat, misschien geïntegreerd in kleding, om energie van uw lichaamsbeweging om te zetten in elektriciteit en draagbare sensoren of medische apparaten van stroom te voorzien, of misschien voldoende energie leveren om uw mobiele telefoon in uw zak op te laden, " zegt James Hone, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia en co-leider van het onderzoek.

"Bewijs van het piëzo-elektrische effect en het piëzotronische effect voegt nieuwe functionaliteiten toe aan deze tweedimensionale materialen, " zegt Zhong Lin Wang, Regents' Professor in Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering en een co-leider van het onderzoek. "De materialengemeenschap is enthousiast over molybdeendisulfide, en het demonstreren van het piëzo-elektrische effect erin voegt een nieuw facet toe aan het materiaal."

Hone en zijn onderzoeksgroep toonden in 2008 aan dat grafeen, een 2D-vorm van koolstof, is het sterkste materiaal. Hij en Lei Wang, een postdoctoraal onderzoeker in Hone's groep, hebben actief de nieuwe eigenschappen van 2D-materialen zoals grafeen en MoS2 onderzocht terwijl ze worden uitgerekt en gecomprimeerd.

Zhong Lin Wang en zijn onderzoeksgroep pionierden op het gebied van piëzo-elektrische nanogeneratoren voor het omzetten van mechanische energie in elektriciteit. Hij en postdoctoraal collega Wenzhuo Wu ontwikkelen ook piëzotronische apparaten, die piëzo-elektrische ladingen gebruiken om de stroom door het materiaal te regelen, net zoals poortspanningen dat doen in conventionele transistors met drie aansluitingen.

Er zijn twee sleutels om molybdeendisulfide te gebruiken voor het genereren van stroom:een oneven aantal lagen gebruiken en deze in de juiste richting buigen. Het materiaal is zeer polair, maar, Zhong Lin Wang merkt op, dus een even aantal lagen heft het piëzo-elektrische effect op. De kristallijne structuur van het materiaal is ook piëzo-elektrisch in slechts bepaalde kristallijne oriëntaties.

Voor de Natuur studie, Hone's team plaatste dunne vlokken MoS2 op flexibele plastic substraten en bepaalde met optische technieken hoe hun kristalroosters waren georiënteerd. Vervolgens vormden ze metalen elektroden op de vlokken. In onderzoek gedaan bij Georgia Tech, Wang's groep installeerde meetelektroden op monsters geleverd door Hone's groep, vervolgens gemeten stroom vloeit als de monsters mechanisch werden vervormd. Ze bewaakten de omzetting van mechanische naar elektrische energie, en waargenomen spannings- en stroomuitgangen.

De onderzoekers merkten ook op dat de uitgangsspanning van teken veranderde toen ze de richting van de uitgeoefende spanning veranderden, en dat het verdween in monsters met een even aantal atoomlagen, bevestiging van de vorig jaar gepubliceerde theoretische voorspellingen. De aanwezigheid van piëzotronisch effect in oneven laag MoS2 werd ook voor de eerste keer waargenomen.

"Wat echt interessant is, is dat we nu hebben ontdekt dat een materiaal als MoS2 die in bulkvorm niet piëzo-elektrisch is, kan piëzo-elektrisch worden wanneer het wordt uitgedund tot een enkele atoomlaag, ' zegt Lei Wang.

piëzo-elektrisch zijn, een materiaal moet de centrale symmetrie doorbreken. Een enkele atoomlaag van MoS2 heeft zo'n structuur, en moet piëzo-elektrisch zijn. Echter, in bulk MoS2, opeenvolgende lagen zijn in tegengestelde richtingen georiënteerd, en genereren positieve en negatieve spanningen die elkaar opheffen en een netto piëzo-elektrisch effect van nul opleveren.

"Dit voegt een ander lid toe aan de familie van piëzo-elektrische materialen voor functionele apparaten, " zegt Wenzhuo Wu.

In feite, MoS2 is slechts één van een groep van 2D halfgeleidende materialen die bekend staan ​​als overgangsmetaal dichalcogeniden, waarvan wordt voorspeld dat ze allemaal vergelijkbare piëzo-elektrische eigenschappen hebben. Deze maken deel uit van een nog grotere familie van 2D-materialen waarvan de piëzo-elektrische materialen onontgonnen blijven. belangrijk, zoals Hone en zijn collega's hebben aangetoond, 2D-materialen kunnen veel verder worden uitgerekt dan conventionele materialen, met name traditionele keramische piëzo-elektriciteit, die nogal breekbaar zijn.

Het onderzoek zou de deur kunnen openen naar de ontwikkeling van nieuwe toepassingen voor het materiaal en zijn unieke eigenschappen.

"Dit is het eerste experimentele werk op dit gebied en is een elegant voorbeeld van hoe de wereld anders wordt wanneer de grootte van materiaal krimpt tot de schaal van een enkel atoom, " Hone voegt toe. "Met wat we leren, we willen graag bruikbare apparaten bouwen voor allerlei toepassingen."

uiteindelijk, Zhong Lin Wang merkt op, het onderzoek zou kunnen leiden tot complete atoomdikke nanosystemen die zelfvoorzienend zijn door mechanische energie uit de omgeving te oogsten. Deze studie onthult voor het eerst ook het piëzotronische effect in tweedimensionale materialen, wat de toepassing van gelaagde materialen voor mens-machine-interfacing aanzienlijk uitbreidt, robotica, MEMS, en actieve flexibele elektronica.