Een RMIT-UNSW-samenwerking heeft vloeibaar-metaalsynthese toegepast op piëzo-elektriciteit, vooruitstrevende toekomst flexibel, draagbare elektronica, en biosensoren die hun kracht ontlenen aan de bewegingen van het lichaam.

Van materialen zoals atomair dun tin-monosulfide (SnS) wordt voorspeld dat ze sterke piëzo-elektrische eigenschappen vertonen, mechanische krachten of beweging omzetten in elektrische energie. Dit pand, samen met hun inherente flexibiliteit, maakt hen waarschijnlijke kandidaten voor het ontwikkelen van flexibele nanogeneratoren die kunnen worden gebruikt in draagbare elektronica of interne, zelfaangedreven biosensoren.

Echter, daten, dit potentieel werd tegengehouden door beperkingen bij het synthetiseren van grote, sterk kristallijne monolaag tin-monosulfide (en andere groep IV monochalcogeniden), met problemen veroorzaakt door sterke tussenlaagkoppeling. De nieuwe studie lost dit probleem op door een nieuwe vloeibaar-metaaltechniek toe te passen, ontwikkeld bij RMIT, om de materialen te synthetiseren. Daaropvolgende metingen bevestigen dat tin-monosulfide gesynthetiseerd met behulp van de nieuwe methode uitstekende elektronische en piëzo-elektrische eigenschappen vertoont. De resulterende stabiele, flexibele monolaag tin-monosulfide kan worden opgenomen in een verscheidenheid aan apparaten voor efficiënte energiewinning.

Het werk begon meer dan twee en een half jaar geleden en een sterke samenwerking tussen RMIT en UNSW zorgde ervoor dat het tot bloei kwam. Mevrouw Hareem Khan, de eerste auteur van het artikel, toonde opmerkelijk doorzettingsvermogen om vele technische uitdagingen te overwinnen om de levensvatbaarheid van het concept aan te tonen, met prof Yongxiang Li.

Vloeibare metaalsynthese

De ongekende techniek van synthese omvat de van der Waals-afschilfering van een tinsulfide (SnS), dat wordt gevormd op het oppervlak van tin wanneer het wordt gesmolten, terwijl ze worden blootgesteld aan de omgeving van waterstofsulfide (H ₂ S) gas. H ₂ S breekt af op het grensvlak en zwavelt het oppervlak van de smelt om SnS te vormen.

De techniek is evenzeer toepasbaar op andere monolaaggroep IV monochalcogenide, waarvan wordt voorspeld dat ze dezelfde sterke piëzo-elektriciteit vertonen. Deze methode op basis van vloeibaar metaal stelt ons in staat om homogene en grootschalige monolagen van SnS te extraheren met minimale korrelgrenzen.

Metingen bevestigen dat het materiaal een hoge dragermobiliteit en piëzo-elektrische coëfficiënt heeft, wat zich vertaalt in uitzonderlijke piekwaarden van gegenereerde spanning en laadvermogen voor een bepaalde toegepaste spanning, indrukwekkend hoger dan elke eerder gerapporteerde 2D-nanogenerator.

Hoge duurzaamheid en flexibiliteit van de apparaten worden ook gedemonstreerd. Dit is het bewijs dat de zeer stabiele, als gesynthetiseerde monolaag SnS commercieel kan worden geïmplementeerd in energieopwekkende nano-apparaten. Ze kunnen ook worden gebruikt voor het ontwikkelen van transducers voor het oogsten van mechanische menselijke bewegingen, in overeenstemming met de huidige technologische neigingen naar slimme, draagbare en flexibele elektronica.

De resultaten zijn een stap in de richting van piëzo-elektrische, flexibel, draagbare energie-opruimende apparaten. Het presenteert ook een ongekende synthesetechniek voor tin-monosulfide-monolagen op grote (wafel)schaal.

Piëzo-elektrische materialen

Piëzo-elektrische materialen kunnen uitgeoefende mechanische kracht of spanning omzetten in elektrische energie. Het best bekend om de eenvoudige "piëzo"-aansteker die wordt gebruikt voor gasgrills en kookplaten, piëzo-elektrische apparaten die plotselinge versnellingsveranderingen detecteren, worden gebruikt om airbags in voertuigen te activeren, en gevoeligere apparaten herkennen oriëntatieveranderingen in mobiele telefoons of vormen de basis van geluids- en druksensoren.

Nog gevoeligere piëzo-elektrische materialen kunnen profiteren van de kleine spanningen die worden gegenereerd door extreem kleine mechanische verplaatsingen, trillingen, buigen of strekken om geminiaturiseerde apparaten aan te drijven, bijvoorbeeld biosensoren ingebed in het menselijk lichaam, waardoor een externe voedingsbron niet meer nodig is.

De studie, "Op vloeibare metaal gebaseerde synthese van hoogwaardige monolaag SnS piëzo-elektrische nanogeneratoren, " werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in juli 2020.