Er is een deur geopend voor low-power aan/uit-schakelaars in micro-elektromechanische systemen (MEMS) en nano-elektronische apparaten, evenals ultragevoelige biosensoren, met de eerste waarneming van piëzo-elektriciteit in een vrijstaande tweedimensionale halfgeleider door een team van onderzoekers met het Lawrence Berkeley National Laboratory van de DOE (Berkeley Lab).

Xiang Zhang, directeur van Berkeley Lab's Materials Sciences Division en een internationale autoriteit op nanoschaal engineering, leidde een onderzoek waarin piëzo-elektriciteit - de omzetting van mechanische energie in elektriciteit of vice versa - werd aangetoond in een vrijstaande enkele laag molybdeendisulfide, een 2D-halfgeleider die in de toekomst een potentiële opvolger is van silicium voor snellere elektronische apparaten.

"Piëzo-elektriciteit is een bekend effect in bulkkristallen, maar dit is de eerste kwantitatieve meting van het piëzo-elektrische effect in een enkele laag moleculen met intrinsieke dipolen in het vlak, " zegt Zhang. "De ontdekking van piëzo-elektriciteit op moleculair niveau is niet alleen fundamenteel interessant, maar kan ook leiden tot afstembare piëzo-materialen en apparaten voor extreem kleine krachtopwekking en detectie."

Zhang, die de Ernest S. Kuh Endowed Chair aan de University of California (UC) Berkeley bekleedt en lid is van het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley, is de corresponderende auteur van een paper in Natuur Nanotechnologie dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "Observatie van piëzo-elektriciteit in vrijstaande monolaag MoS2." De co-hoofdauteurs zijn Hanyu Zhu en Yuan Wang, beide leden van Zhang's UC Berkeley onderzoeksgroep. (Zie hieronder voor een volledige lijst van co-auteurs.)

Sinds de ontdekking in 1880, het piëzo-elektrische effect heeft brede toepassing gevonden in bulkmaterialen, inclusief aandrijvingen, sensoren en energieoogstmachines. Er is een toenemende belangstelling voor het gebruik van piëzo-elektrische materialen op nanoschaal om het laagst mogelijke stroomverbruik te bieden voor aan/uit-schakelaars in MEMS en andere soorten elektronische computersystemen. Echter, wanneer de materiaaldikte een enkele moleculaire laag nadert, de grote oppervlakte-energie kan ervoor zorgen dat piëzo-elektrische structuren thermodynamisch instabiel zijn.

In de afgelopen paar jaar, Zhang en zijn groep hebben gedetailleerde studies uitgevoerd naar molybdeendisulfide, een 2D-halfgeleider met een hoge elektrische geleiding die vergelijkbaar is met die van grafeen, maar, in tegenstelling tot grafeen, heeft natuurlijke energieband-gaps, wat betekent dat de geleiding ervan kan worden uitgeschakeld.

"Overgangsmetaal dichalcogeniden zoals molybdeendisulfide kunnen hun atomaire structuren behouden tot aan de enkellaagse limiet zonder roosterreconstructie, zelfs in omgevingsomstandigheden, " zegt Zhang. "Recente berekeningen voorspelden het bestaan ​​van piëzo-elektriciteit in deze 2D-kristallen vanwege hun gebroken inversiesymmetrie. Om dit te testen, we combineerden een zijdelings aangelegd elektrisch veld met nano-inspringing in een atomaire krachtmicroscoop voor het meten van piëzo-elektrisch gegenereerde membraanspanning."

Zhang en zijn groep gebruikten een vrijstaand molybdeendisulfide enkellaags kristal om substraateffecten te voorkomen, zoals doping en parasitaire lading, in hun metingen van de intrinsieke piëzo-elektriciteit. Ze registreerden een piëzo-elektrische coëfficiënt van 2,9 × 10-10 C/m, wat vergelijkbaar is met veel veelgebruikte materialen zoals zinkoxide en aluminiumnitride.

"Het kennen van de piëzo-elektrische coëfficiënt is belangrijk voor het ontwerpen van atomair dunne apparaten en het inschatten van hun prestaties, " zegt Natuur papier co-lead auteur Zhu. "De piëzo-elektrische coëfficiënt die we in molybdeendisulfide vonden, is voldoende voor gebruik in logische schakelaars met een laag vermogen en biologische sensoren die gevoelig zijn voor moleculaire massalimieten."

Zhang, Zhu en hun co-auteurs ontdekten ook dat als meerdere enkele lagen molybdeendisulfidekristal op elkaar werden gestapeld, piëzo-elektriciteit was alleen aanwezig in het oneven aantal lagen (1, 3, 5, enzovoort.)

"Deze ontdekking is interessant vanuit een natuurkundig perspectief, aangezien geen enkel ander materiaal een vergelijkbare laaggetalgevoeligheid heeft laten zien, " zegt Zhu. "Het fenomeen kan ook nuttig zijn voor toepassingen waarin we apparaten willen die uit zo min mogelijk materiaalsoorten bestaan, waar sommige delen van het apparaat niet-piëzo-elektrisch moeten zijn."

Naast logische schakelaars en biologische sensoren, piëzo-elektriciteit in molybdeendisulfidekristallen kan ook worden gebruikt in de potentiële nieuwe route naar kwantumcomputers en ultrasnelle gegevensverwerking, 'valleytronics' genaamd. In valleitronica, informatie wordt gecodeerd in de spin en het momentum van een elektron dat door een kristalrooster beweegt als een golf met energiepieken en -dalen.

"Sommige soorten valleytronic-apparaten zijn afhankelijk van de absolute kristaloriëntatie, en piëzo-elektrische anisotropie kan worden gebruikt om dit te bepalen, ' zegt Natuur papier co-hoofdauteur Wang. "We onderzoeken ook de mogelijkheid om piëzo-elektriciteit te gebruiken om valleytronic-eigenschappen zoals circulair dichroïsme in molybdeendisulfide rechtstreeks te regelen."