Piëzo-elektriciteit ( oftewel het piëzo-elektrisch effect) komt voor in bepaalde materialen – kristallen (met name kwarts), wat keramiek, bot, DNA, en een aantal eiwitten - wanneer de toepassing van mechanische stress of trillingen elektrische lading of wisselstroom (AC) spanning genereert, respectievelijk. (Omgekeerd, piëzo-elektrische materialen kunnen trillen wanneer er wisselspanning op wordt toegepast.) Het piëzo-elektrische effect heeft een aanzienlijk aantal toepassingen, inclusief geluidsproductie en detectie, generatie van hoge spanningen en elektronische frequenties, beeldtechnologieën met atomaire resolutie (bijv. scanning tunneling en atomic force microscopie), en actuatoren voor zeer nauwkeurige positionering van objecten op nanoschaal - de laatste is cruciaal voor fundamenteel onderzoek en industriële toepassingen. Dat gezegd hebbende, positionering op subatomaire schaal vormt nog steeds een aantal uitdagingen. Onlangs, echter, onderzoekers van de Nanyang Technological University, Singapore, Chinese Wetenschapsacademie, Suzhou, en Duke University, Durham demonstreerde verticale piëzo-elektriciteit op atomaire schaal (drie tot vijf ruimteroosters) met behulp van ultradunne cadmiumsulfide (CdS) -films. De onderzoekers bepaalden een verticale piëzo-elektrische coëfficiënt ( NS ₃₃ ) drie keer zoveel als bij bulk-CdS-gebruik ter plaatse scanning Kelvin-krachtmicroscopie en enkele en dubbele ac-resonantietracking piëzo-elektrische krachtmicroscopie, waardoor ze concludeerden dat hun bevindingen een aantal cruciale rollen spelen bij het ontwerp van sensoren van de volgende generatie en micro-elektromechanische apparaten.

Prof. Zheng Liu besprak het artikel dat hij, Dr. Ting Zhang en hun collega's publiceerden in: wetenschappelijke vooruitgang , het beschrijven van een reeks uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd, te beginnen met het gebruik van chemische dampafzetting om 2 ~ 3 nm cadmiumsulfide (CdS) dunne films te synthetiseren. "De verticale piëzo-elektriciteit, of NS ₃₃ , is de belangrijkste parameter in piëzo-elektrische materialen voor de fabricage van actuatoren die worden gebruikt om objecten met extreme nauwkeurigheid te positioneren - tot op atomaire schaal in een breed scala aan geavanceerde apparatuur zoals atoomkrachtmicroscopie en scanning tunneling microscopie, " vertelt Liu Phys.org . "Bovendien, high-performance ultradunne piëzo-elektrische materialen zijn cruciaal voor de constructie van ultrahoge resolutie en flexibele elektromechanisch gekoppelde apparaten."

Voorafgaand aan deze studie, Liu wijst erop, slechts enkele studies rapporteerden de synthese van atomaire dunne piëzo-elektrische materialen door een natchemische methode, voorbeelden hiervan zijn CdS en cadmiumselenide (CdSe) nanobloedplaatjes. "Het is een grote uitdaging om hoogwaardige en atoomdunne piëzo-elektrische materialen te produceren, " voegt hij eraan toe. "In dit onderzoek, de belangrijkste uitdaging bij het synthetiseren van ultradunne piëzo-elektrische CdS-films via chemische dampafzetting" (of CVD) "ligt in de selectie van voorlopers en het optimaliseren van de reactieparameters, zoals groeitemperatuur en tijd."

De wetenschappers werden vervolgens geconfronteerd met demonstreren NS ₃₃ verticale piëzo-elektriciteit op atomaire schaal met behulp van ultradunne dunne cadmiumsulfide-films. "Wanneer de dikte van materialen het nanoschaalniveau bereikt, "Lou legt uit, "Het is erg moeilijk om het piëzo-elektrische effect te verifiëren en de waarden ervan te bepalen vanwege het koppelingseffect van het substraat - en oppervlaktegeometrieën kunnen ook de metingen bij atomaire limieten beïnvloeden." Bijvoorbeeld, hij illustreert, de oppervlakteruwheid van het monster bereikt tientallen picometers, wat dezelfde schaal is als de verticale elektromechanische respons voor materialen.

Ten slotte - en doet denken aan de uitdaging bij het demonstreren NS ₃₃ verticale piëzo-elektriciteit op atomaire schaal met behulp van dunne CdS-films - de onderzoekers moesten de verticale piëzo-elektrische coëfficiënt van de CdS-film bepalen met ter plaatse scanning Kelvin-krachtmicroscopie (SKFM) en enkele en dubbele AC-resonantie-tracking piëzo-elektrische krachtmicroscopie (DART-PFM). "De kwaliteit van ultradunne piëzo-elektrische CdS is de sleutel tot het verkrijgen van een betrouwbare verticale piëzo-elektrische coëfficiënt." Liu merkt op. "Sommige karakteriseringstools zoals Raman- en fotoluminescentiespectroscopieën kunnen ons helpen het CdS-monster te identificeren en de hoge kwaliteit ervan te bevestigen. vanwege de geometrische trillingen van de CdS-monsters, de karakterisering van de atoomkrachtmicroscopie moet zorgvuldig worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat onze conclusies solide zijn." Dit vereiste dat de onderzoekers veel SKFM- en DART-PFM-monsters moesten onderzoeken om tot een solide conclusie te komen over verticaal piëzo-elektrisch gedrag in ultradunne CdS-films.

Liu comments that addressing these challenges required innovative techniques. "For the first time, we successfully synthesized high-quality atomic thin CdS films using CVD, and we demonstrated vertical piezoelectricity of these films at the atomic scale of 3~5 space lattices" (a space, or crystal, lattice being a periodically repeating two- or three-dimensional array of points or particles) "and observed the vertical piezoelectric domains. More importantly, " Liu continues, "our work shows an enhanced vertical piezoelectricity in CdS ultrathin films at a level three times larger than the CdS bulk counterpart, as well as higher than most of traditional piezoelectric materials." These results imply non-trivial piezoelectric behavior at atomic limits for a certain class of materials – which has not yet been well explored – and inspires the search for two-dimensional free-standing layered piezoelectric materials that are only one atom thick.

Liu points out that their findings shed light on the design of next-generation sensors, actuators and microelectromechanical devices, in that piezoelectric materials are the most important component for such devices. specifiek, he says that their findings provide the opportunity for next-generation sensors and microelectromechanical devices in three ways:

• Flexibility :Ultrathin piezoelectric material materials are naturally like two-dimensional materials in being flexible, allowing them to be conformably used for more complicated electromechanical devices.
• Miniaturization :Ultrathin piezoelectric material materials are a perfect candidate for the fabrication of reduced size, highly integrated devices, especially for mobile phone and wearable devices.
• Inspiratie :The study's results will inspire the development of other ultrathin piezoelectric materials, especially two-dimensional piezoelectric materials.

Liu illustrates these points by listing potential examples of such devices – for example, atomically thin piezoelectric devices – and their applications. "Bijvoorbeeld, using CdS ultrathin films, the most accurate probe or stage ever fabricated may be achievable, allowing researchers and engineers to manipulate atoms or position tips in atomic force, scanning electron and transmission electron microscopy. Met andere woorden, CdS ultrathin films will extend our capability to see and manipulate our world in an extreme way." Of more importance, hij voegt toe, such ultrathin piezoelectric devices can be integrated into equipment like autocollimators and Michelson interferometers used in, bijvoorbeeld, cold atom studies, the verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves.

The study also reports the in situ measurement of the ultrathin CdS film vertical piezoelectric coefficient NS ₃₃ , determining the film coefficient to be approximately three times larger than that of bulk CdS. "This value is pretty big for atomically thin materials, " Liu explains. "It means that we can get a large voltage change when small pressure or deformation is applied. This makes the material a great candidate constructing sensitive and ultrathin mechanical sensors."

The researchers concluded that contact piezoresponse force microscopy (PFM) – which uses a conductive tip to apply a highly localized electric field that allows imaging and manipulation of piezoelectric ferroelectric materials – could significantly change the surface potential of a CdS ultrathin film by applying stress to its surface. "Typisch, applying mechanical stress to a piezoelectric material will generate electric charge that accumulates at the surface of the material, which is how we identify the piezoelectric materials, " Liu tells Phys.org . "We therefore believe that this results from piezoelectric polarizations giving rise to a large piezoelectric potential, in turn leading to a remarkable spatial separation of electrons and holes." In this case, electrons generated by the piezoelectric effect will be trapped into the silicon dioxide (SiO ₂₎ dielectric layers, while the holes will be trapped inside the crystal boundary of the CdS films.

The scientists state that their work may pave a way to the synthesis of ultrathin lattice scale nanomaterials using CVD method, which is a low-cost method for producing high quality samples. In aanvulling, Liu notes, the materials provided by their study will enable the high-integrated and multi-functional devices by simply coating or transferring the film to the device. "For actuator applications, our work will promote next generation actuators with extreme resolution for their potential use in characterization tools such as ultra-high resolution microscopy; for atom manipulation and fabrication; or potentially for the detection of ultra-low deformation in, bijvoorbeeld, cold atom studies, verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves."

Vooruit gaan, Liu says, the scientists will determine the relationship between the vertical piezoelectric coefficient NS ₃₃ and the thickness of CdS at atomic scales. "Well also synthesize other piezoelectric, ferroelectric and layered piezoelectric/ferroelectric ultrathin materials, and explore their electromechanical properties." Based on this material and micro/nano-manufacture technology, the researchers hope to design and fabricate next-generation actuators for accurate positioning of minute objects, such as nanoparticles at subatomic scales, using their novel materials.

In aanvulling, the large vertical piezoelectric coefficient NS ₃₃ makes this material promising to construction of ultrathin and sensitive pressure sensors for detecting miniscule forces. If the low detection limit of sensor reaches to nanoscale levels, the device could monitor single biological cell migration.

"Our study will inspire material scientists to hunt for other non-trivial ultrathin or layered piezoelectric or ferroelectric materials, " Liu tells Phys.org . "Engineers can employ our CdS ultrathin films to design and fabricate novel microelectromechanical systems, " or MEMS, "and nanoelectromechanical systems, " or NEMS, "with high-integration and multi-functionalities, and may benefit when developing cutting-edge scientific instruments. Verder, " he concludes, "novel and flexible consumer electronic devices can be developed based on our study."

© 2016 Phys.org