Forskare från Columbia Engineering och Georgia Institute of Technology rapporterar idag att de har gjort den första experimentella observationen av piezoelektricitet och den piezotroniska effekten i ett atomärt tunt material, molybdendisulfid (MoS2), vilket resulterar i en unik elektrisk generator och mekanosensationsanordningar som är optiskt transparenta, extremt lätt, och mycket böjbar och töjbar.

I en tidning publicerad online den 15 oktober, 2014, i Natur , forskargrupper från de två institutionerna demonstrerar den mekaniska genereringen av elektricitet från det tvådimensionella (2D) MoS2-materialet. Den piezoelektriska effekten i detta material hade tidigare förutspåtts teoretiskt.

Piezoelektricitet är en välkänd effekt där sträckning eller komprimering av ett material får det att generera en elektrisk spänning (eller tvärtom, där en pålagd spänning får den att expandera eller dra ihop sig). Men för material med endast ett fåtal atomtjocklekar, ingen experimentell observation av piezoelektricitet har gjorts, tills nu. Den observation som rapporteras idag ger en ny egenskap för tvådimensionella material som molybdendisulfid, öppnar potentialen för nya typer av mekaniskt styrda elektroniska enheter.

"Detta material - bara ett enda lager av atomer - skulle kunna göras som en bärbar enhet, kanske integrerad i kläder, att omvandla energi från din kroppsrörelse till elektricitet och driva bärbara sensorer eller medicinsk utrustning, eller kanske ge tillräckligt med energi för att ladda din mobiltelefon i fickan, " säger James Hone, professor i maskinteknik vid Columbia och medledare för forskningen.

"Bevis på den piezoelektriska effekten och piezotroniska effekten lägger till nya funktioner till dessa tvådimensionella material, " säger Zhong Lin Wang, Regents' professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering och en medledare för forskningen. "Materialgemenskapen är entusiastiska över molybdendisulfid, och att demonstrera den piezoelektriska effekten i den lägger till en ny aspekt till materialet."

Hone och hans forskargrupp visade 2008 att grafen, en 2D-form av kol, är det starkaste materialet. Han och Lei Wang, en postdoktor i Hones grupp, har aktivt utforskat de nya egenskaperna hos 2D-material som grafen och MoS2 när de sträcks och komprimeras.

Zhong Lin Wang och hans forskargrupp var pionjärer inom området piezoelektriska nanogeneratorer för att omvandla mekanisk energi till elektricitet. Han och postdoktor Wenzhuo Wu utvecklar också piezotroniska enheter, som använder piezoelektriska laddningar för att styra strömflödet genom materialet precis som gate-spänningar gör i konventionella tre-terminala transistorer.

Det finns två nycklar för att använda molybdendisulfid för att generera ström:att använda ett udda antal lager och böja det i rätt riktning. Materialet är mycket polärt, men, Zhong Lin Wang noterar, så ett jämnt antal lager tar bort den piezoelektriska effekten. Materialets kristallina struktur är också piezoelektrisk i endast vissa kristallina orienteringar.

För Natur studie, Hones team placerade tunna flingor av MoS2 på flexibla plastsubstrat och bestämde hur deras kristallgitter var orienterade med hjälp av optiska tekniker. De mönstrade sedan metallelektroder på flingorna. I forskning gjord vid Georgia Tech, Wangs grupp installerade mätelektroder på prover från Hones grupp, mätte sedan strömflöden när proverna deformerades mekaniskt. De övervakade omvandlingen av mekanisk till elektrisk energi, och observerade spännings- och strömutgångar.

Forskarna noterade också att utgångsspänningen bytte tecken när de ändrade riktningen för den applicerade spänningen, och att det försvann i prover med ett jämnt antal atomlager, bekräftar teoretiska förutsägelser som publicerades förra året. Närvaron av piezotronisk effekt i udda lager MoS2 observerades också för första gången.

"Det som verkligen är intressant är att vi nu har funnit att ett material som MoS2, som inte är piezoelektrisk i bulkform, kan bli piezoelektrisk när den tunnas ut till ett enda atomlager, säger Lei Wang.

För att vara piezoelektrisk, ett material måste bryta central symmetri. Ett enda atomlager av MoS2 har en sådan struktur, och ska vara piezoelektrisk. Dock, i bulk MoS2, successiva lager är orienterade i motsatta riktningar, och genererar positiva och negativa spänningar som tar ut varandra och ger noll netto piezoelektrisk effekt.

"Detta lägger till ytterligare en medlem till familjen av piezoelektriska material för funktionella enheter, säger Wenzhuo Wu.

Faktiskt, MoS2 är bara ett i en grupp av 2D-halvledande material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, som alla förutspås ha liknande piezoelektriska egenskaper. Dessa är en del av en ännu större familj av 2D-material vars piezoelektriska material förblir outforskade. Viktigt, som hone och hans kollegor har visat, 2D-material kan sträckas mycket längre än konventionella material, särskilt traditionell keramisk piezoelektrik, som är ganska spröda.

Forskningen kan öppna dörren för utveckling av nya tillämpningar för materialet och dess unika egenskaper.

"Detta är det första experimentella arbetet på detta område och är ett elegant exempel på hur världen blir annorlunda när storleken på materialet krymper till skalan av en enda atom, Hone tillägger. "Med det vi lär oss, vi är angelägna om att bygga användbara enheter för alla typer av applikationer."

I sista hand, Zhong Lin Wang noterar, forskningen kan leda till kompletta atomtjocka nanosystem som drivs av sig själva genom att skörda mekanisk energi från miljön. Denna studie avslöjar också den piezotroniska effekten i tvådimensionella material för första gången, vilket kraftigt utökar tillämpningen av skiktade material för gränssnitt mellan människa och maskin, robotik, MEMS, och aktiv flexibel elektronik.