Beneden is nog voldoende ruimte om piëzo-elektriciteit op te wekken. Ingenieurs van Rice University en hun collega's wijzen de weg.

Een nieuwe studie beschrijft de ontdekking van piëzo-elektriciteit - het fenomeen waarbij mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie - over fasegrenzen van tweedimensionale materialen.

Het werk onder leiding van Rice-materiaalwetenschappers Pulickel Ajayan en Hanyu Zhu en hun collega's van Rice's George R. Brown School of Engineering, de University of Southern California, de University of Houston, Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory en Pennsylvania State University verschijnt in Geavanceerde materialen .

De ontdekking zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van steeds kleinere nano-elektromechanische systemen, apparaten die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor het aandrijven van kleine actuatoren en implanteerbare biosensoren, en ultragevoelige temperatuur- of druksensoren.

De onderzoekers laten zien dat het atomair dunne systeem van een metalen domein rond halfgeleidende eilanden een mechanische respons creëert in het kristalrooster van het materiaal wanneer het wordt blootgesteld aan een aangelegde spanning.

De aanwezigheid van piëzo-elektriciteit in 2D-materialen hangt vaak af van het aantal lagen, maar het synthetiseren van de materialen met een precies aantal lagen was een enorme uitdaging, zei Rice-onderzoekswetenschapper Anand Puthirath, co-hoofdauteur van het artikel.

"Onze vraag was hoe we een structuur kunnen maken die piëzo-elektrisch is op meerdere dikteniveaus - monolaag, dubbellaag, drielaags en zelfs bulk - van zelfs niet-piëzo-elektrisch materiaal," zei Puthirath. "Het plausibele antwoord was om een ​​eendimensionale metaal-halfgeleiderovergang in een 2D-heterostructuur te maken, waardoor zowel kristallografische als ladingsasymmetrie op de kruising werd geïntroduceerd."

"De laterale kruising tussen fasen is erg interessant, omdat het atomair scherpe grenzen biedt in atomair dunne lagen, iets wat onze groep bijna een decennium eerder pionierde," zei Ajayan. "Hierdoor kan men materialen in 2D engineeren om apparaatarchitecturen te creëren die uniek kunnen zijn in elektronische toepassingen."

De junctie is minder dan 10 nanometer dik en vormt zich wanneer telluurgas wordt geïntroduceerd, terwijl molybdeenmetaal een film vormt op siliciumdioxide in een oven voor chemische dampafzetting. Dit proces creëert eilanden van halfgeleidende molybdeentelluridefasen in de zee van metaalfasen.

Het toepassen van spanning op de kruising via de punt van een piëzoresponskrachtmicroscoop genereert een mechanische respons. Dat meet ook zorgvuldig de sterkte van piëzo-elektriciteit die op de kruising wordt gecreëerd.

"Het verschil tussen de roosterstructuren en elektrische geleidbaarheid creëert asymmetrie aan de fasegrens die in wezen onafhankelijk is van de dikte," zei Puthirath. Dat vereenvoudigt de voorbereiding van 2D-kristallen voor toepassingen zoals geminiaturiseerde actuatoren.

"Een heterostructuur-interface biedt veel meer vrijheid voor technische materiaaleigenschappen dan een bulk enkelvoudige verbinding," zei Zhu. "Hoewel de asymmetrie alleen op nanoschaal bestaat, kan het macroscopische elektrische of optische verschijnselen, die vaak worden gedomineerd door de interface, aanzienlijk beïnvloeden." + Verder verkennen

2-D oxidevlokken halen verrassende elektrische eigenschappen op