Onderzoekers van de Rice University hebben bewijs gevonden van piëzo-elektriciteit in in het laboratorium gekweekte, tweedimensionale vlokken van molybdeendioxide.

Hun onderzoek toonde aan dat de verrassende elektrische eigenschappen te wijten zijn aan elektronen die vastzitten in defecten in het materiaal, die minder dan 10 nanometer dik is. Ze karakteriseren deze ladingen als elektreten, die in sommige isolatiematerialen voorkomen en interne en externe elektrische velden opwekken.

Piëzo-elektriciteit is ook een eigenschap van materialen die reageren op stress door een elektrische spanning over hun oppervlak te genereren of mechanische spanning te genereren als reactie op een aangelegd elektrisch veld. Het heeft veel praktische en wetenschappelijke toepassingen, van de omzetting van een wiebelende gitaarsnaar in een elektrisch signaal tot scanningmicroscopen zoals die werden gebruikt om de nieuwe vondst te doen.

De onderzoekers van Rice's Brown School of Engineering ontdekten dat hun vlokken op micronschaal een piëzo-elektrische respons vertonen die even sterk is als die waargenomen in conventionele 2-D piëzo-elektrische materialen als molybdeendisulfide. Het rapport van Rice-materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en medewerkers verschijnt in: Geavanceerde materialen .

De sleutel lijkt defecten te zijn die het kristalrooster van molybdeendioxide onvolmaakt maken. Wanneer gespannen, de dipolen van elektronen die in deze defecten vastzitten lijken op één lijn te liggen, zoals bij andere piëzo-elektrische materialen, het creëren van een elektrisch veld dat leidt tot het waargenomen effect.

"Super dun, 2D-kristallen blijven verrassingen vertonen, zoals in onze studie, "Ajayan zei. "Defect engineering is een sleutel tot technische eigenschappen van dergelijke materialen, maar is vaak uitdagend en moeilijk te controleren."

"Molybdeendioxide zal naar verwachting geen piëzo-elektriciteit vertonen, ", voegde Rice postdoctoraal onderzoeker Anand Puthirath toe, een co-corresponderende auteur van het papier. "Maar omdat we het materiaal zo dun mogelijk maken, opsluitingseffecten komen in beeld."

Hij zei dat het effect optreedt in molybdeendioxidevlokken die zijn gegroeid door chemische dampafzetting. Door het groeiproces op verschillende punten te stoppen, kregen de onderzoekers enige controle over de dichtheid van de defecten, zo niet hun distributie. Hoofdauteur en Rice-alumna Amey Apte voegde de single-chemical, op precursoren gebaseerde dampafzettingstechniek "helpt bij de reproduceerbaarheid en schone aard van groeiend molybdeenoxide op verschillende substraten."

De onderzoekers ontdekten dat het piëzo-elektrische effect stabiel is bij kamertemperatuur gedurende aanzienlijke tijdschalen. De molybdeendioxidevlokken bleven stabiel bij temperaturen tot 100° Celsius (212 graden Fahrenheit). Maar door ze drie dagen bij 250 ° C (482 ° F) te gloeien, werden de defecten geëlimineerd en stopte het piëzo-elektrische effect.

Puthirath zei dat het materiaal veel potentiële toepassingen heeft. "Het kan worden gebruikt als een energieoogstmachine, want als je dit materiaal spant, het geeft je energie in de vorm van elektriciteit, "zei hij. "Als je het spanning geeft, je veroorzaakt mechanische uitzetting of compressie. En als je iets op nanoschaal wilt mobiliseren, je kunt gewoon spanning aanbrengen en dit zal dat deeltje uitzetten en verplaatsen zoals jij dat wilt."