Sommige materialen kunnen een kleine spanning genereren wanneer ze worden gebogen en, omgekeerd, kan buigen als reactie op een spanning. Dit fenomeen wordt flexo-elektriciteit genoemd, en tot nu toe, men dacht dat het effect alleen bestond in elektrische isolatoren (materialen die geen elektriciteit geleiden). Echter, een onderzoeksteam van het Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) in Barcelona meldt vandaag in een artikel in Natuur dat flexo-elektrische effecten alomtegenwoordig zijn dan eerder werd gedacht. De ICN2-onderzoekers melden dat halfgeleiders, die kan worden beschouwd als halverwege tussen elektrische isolatoren en echte metalen, wekken ook elektriciteit op als reactie op buigen.

Dit is belangrijk omdat halfgeleiders een veel voorkomende familie van materialen zijn die vaak worden gebruikt in transistors (het hart van geïntegreerde schakelingen) en fotovoltaïsche cellen. De nieuwe resultaten laten zien dat het in principe mogelijk is om ze te gebruiken als druksensoren en elektrische microgeneratoren.

De auteurs van de studie zijn Dr. Jackeline Narvaez, Promovendus Fabián Vásquez-Sancho, en de ICREA-onderzoeksprofessor Gustau Catalan.

Wijdverbreide flexo-elektriciteit

Flexo-elektriciteit treedt op als gevolg van elke asymmetrie in de vervorming van een materiaal. Het buigen van een materiaal dwingt de atomen dichter bij elkaar in de bocht, en verder uit elkaar aan de buitenkant. Deze herverdeling van de atomen dwingt de herverdeling van hun elektrische ladingen, die kan worden benut om een ​​elektrische stroom tussen de binnenkant en de buitenkant van de bocht tot stand te brengen.

Tot nu, het was bekend dat alle elektrische isolatoren flexo-elektrisch kunnen zijn. De verrassende ontdekking van de ICN2-wetenschappers is dat halfgeleiders ook flexo-elektrisch kunnen zijn – en in feite, ze kunnen meer lading genereren dan isolatoren. Het belangrijkste ingrediënt van deze nieuwe door buiging opgewekte elektriciteit zit in het oppervlak van de materialen.

Het oppervlak is het apparaat

De Natuur artikel, vandaag online gepubliceerd, beschrijft hoe kristallen van een aanvankelijk isolerend materiaal 1000 keer meer buigelektriciteit kunnen genereren wanneer ze worden gedoteerd om halfgeleiders te worden. De reden is dat, hoewel de binnenkant van deze kristallen door doping geleidend wordt, de oppervlakken blijven isolerend. Dit betekent dat de oppervlakken niet alleen nog kunnen polariseren, maar daarnaast, ze krijgen een extra lading van het halfgeleidende interieur.

Omdat de elektromechanische respons in halfgeleiders wordt gedomineerd door het oppervlak in plaats van de massa, de auteurs noemen dit effect 'flexo-elektrisch-achtig'. De respons is vanuit praktisch oogpunt identiek aan flexo-elektriciteit - het is een elektrische stroom die wordt gegenereerd als reactie op buigen - maar verschilt vanuit het fundamentele oogpunt van zijn oorsprong.

Het is ook opmerkelijk dat het meten van de flexo-elektrische respons van het oppervlak een belangrijke wetenschappelijke mijlpaal op zich is. Bij alle voorgaande metingen die werden uitgevoerd in isolatoren in plaats van halfgeleiders, het oppervlaktesignaal werd altijd gemengd met het bulksignaal dat uit het binnenste van het kristal kwam. Het is voor het eerst dat de respons van het oppervlak apart is gemeten.

Flexo-elektrische halfgeleiders zijn ook concurrerend op macroschaal

Traditionele flexo-elektriciteit (d.w.z. de flexo-elektriciteit van isolatoren) is belangrijk op nanoschaal. Tot nu, echter, het was niet praktisch op macroschaal. In plaats daarvan, het dominante effect op macroschaal was piëzo-elektriciteit, waarbij sommige materialen elektriciteit opwekken als reactie op compressie, in plaats van te buigen. De reden is dat materialen veel moeilijker te buigen zijn als ze dik zijn (macroschaal) dan wanneer ze dun zijn (nanoschaal), wat intuïtief is - bedenk eens hoeveel moeilijker het is om een ​​boek van 1000 pagina's te buigen in vergelijking met het buigen van een vel papier.

Echter, de flexo-elektrische respons van halfgeleiders heeft een belangrijk kenmerk:het neemt toe met de dikte van het materiaal. Dus, het verlies aan flexibiliteit wordt gecompenseerd door de toename van flexo-elektriciteit, en dit maakt een concurrerende output mogelijk, onafhankelijk van de apparaatdikte. Cruciaal, deze flexo-elektrische respons kan in principe in elk halfgeleidend materiaal aanwezig zijn, overwegende dat piëzo-elektriciteit slechts in een beperkt aantal materialen mogelijk is, waarvan de beste op lood gebaseerd en daarom giftig zijn.

De auteurs zijn zo overtuigd van het potentiële nut van hun ontdekking dat ze een patent hebben aangevraagd en momenteel industriële partners zoeken om technologische toepassingen van halfgeleider flexo-elektriciteit te ontwikkelen.