I det som blev känt som "scotch tape-tekniken, " forskare extraherade först grafen med en bit lim 2004. Grafen är ett enda lager av kolatomer ordnade i en bikaka, sexkantigt mönster. Det ser ut som hönsnät.

Grafen är ett undermaterial. Den är hundra gånger bättre på att leda elektricitet än kisel. Den är starkare än diamant. Och, på bara en atom tjock, det är så tunt att det i huvudsak är ett tvådimensionellt material. Sådan lovande fysik har gjort grafen till det mest studerade ämnet under det senaste decenniet, särskilt inom nanoteknik. 2010, forskarna som först isolerade den delade på Nobelpriset.

Än, medan grafen är många saker, den är inte piezoelektrisk. Piezoelektricitet är egenskapen hos vissa material att producera elektrisk laddning när de böjs, klämd eller vriden. Kanske ännu viktigare, piezoelektricitet är reversibel. När ett elektriskt fält appliceras, piezoelektriska material ändrar form, ger en anmärkningsvärd nivå av teknisk kontroll.

Piezoelektrik har funnit tillämpning i otaliga enheter från klockor, radioapparater och ultraljud till tryckknappsstartarna på propangrillar, men alla dessa användningar kräver relativt stora, tredimensionella mängder av piezoelektriska material.

Nu, i en artikel publicerad i tidskriften ACS Nano , två materialingenjörer på Stanford har beskrivit hur de har konstruerat piezoelektrik till grafen, utökar för första gången en sådan fin fysisk kontroll till nanoskalan.

Straintronics

"De fysiska deformationerna vi kan skapa är direkt proportionella mot det elektriska fältet som appliceras och detta representerar ett fundamentalt nytt sätt att styra elektronik i nanoskala, sa Evan Reed, chef för Material Computation and Theory Group vid Stanford och senior författare till studien. "Detta fenomen ger en ny dimension till konceptet "straintronics" för hur det elektriska fältet spänner - eller deformerar - kolgittret, får den att ändra form på förutsägbara sätt."

"Piezoelektrisk grafen kan ge en oöverträffad grad av elektrisk, optisk eller mekanisk kontroll för applikationer som sträcker sig från pekskärmar till transistorer i nanoskala, sa Mitchell Ong, en postdoktor i Reeds labb och första författare till uppsatsen.

Genom att använda en sofistikerad modellapplikation som körs på högpresterande superdatorer, ingenjörerna simulerade avsättningen av atomer på ena sidan av ett grafengitter - en process som kallas dopning - och mätte den piezoelektriska effekten.

De modellerade grafen dopad med litium, väte, kalium och fluor, samt kombinationer av väte och fluor och litium och fluor på vardera sidan av gittret. Doping bara en sida av grafen, eller dopa båda sidor med olika atomer, är nyckeln till processen eftersom den bryter grafens perfekta fysiska symmetri, som annars upphäver den piezoelektriska effekten.

Resultaten överraskade båda ingenjörerna.

"Vi trodde att den piezoelektriska effekten skulle vara närvarande, men relativt liten. Än, vi kunde uppnå piezoelektriska nivåer jämförbara med traditionella tredimensionella material, " sade Reed. "Det var ganska betydelsefullt."

Designer piezoelektricitet

"Vi kunde ytterligare finjustera effekten genom att mönsterdopa grafenen - selektivt placera atomer i specifika sektioner och inte andra, ", sa Ong. "Vi kallar det designerpiezoelektricitet eftersom det tillåter oss att strategiskt styra var, när och hur mycket grafenen deformeras av ett pålagt elektriskt fält med lovande konsekvenser för ingenjörskonsten."

Även om resultaten av att skapa piezoelektrisk grafen är uppmuntrande, forskarna tror att deras teknik ytterligare kan användas för att konstruera piezoelektricitet i nanorör och andra nanomaterial med tillämpningar som sträcker sig från elektronik, fotonik, och energiskörd till kemisk avkänning och högfrekvent akustik.

"Vi tittar redan nu på nya piezoelektriska enheter baserade på andra 2D och lågdimensionella material i hopp om att de kan öppna nya och dramatiska möjligheter inom nanoteknik, sa Reed.