En dörr har öppnats för av/på-knappar med låg effekt i mikro-elektromekaniska system (MEMS) och nanoelektroniska enheter, såväl som ultrakänsliga biosensorer, med den första observationen av piezoelektricitet i en fristående tvådimensionell halvledare av ett team av forskare med DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Xiang Zhang, direktör för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en internationell myndighet inom nanoskalateknik, ledde en studie där piezoelektricitet - omvandlingen av mekanisk energi till elektricitet eller vice versa - demonstrerades i ett fristående enkelskikt av molybdendisulfid, en 2D-halvledare som är en potentiell efterföljare till kisel för snabbare elektroniska enheter i framtiden.

"Piezoelektricitet är en välkänd effekt i bulkkristaller, men detta är den första kvantitativa mätningen av den piezoelektriska effekten i ett enda lager av molekyler som har inneboende dipoler i planet, " säger Zhang. "Upptäckten av piezoelektricitet på molekylär nivå är inte bara fundamentalt intressant, men kan också leda till inställbara piezomaterial och enheter för extremt liten kraftgenerering och avkänning."

Zhang, som innehar Ernest S. Kuh Endowed Chair vid University of California (UC) Berkeley och är medlem av Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley, är motsvarande författare till en artikel i Naturens nanoteknik beskriver denna forskning. Tidningen har titeln "Observation of Piezoelectricity in Free-standing Monolayer MoS2." Medförfattarna är Hanyu Zhu och Yuan Wang, båda medlemmar i Zhangs forskargrupp vid UC Berkeley. (Se nedan för en komplett lista över medförfattare.)

Sedan upptäckten 1880, den piezoelektriska effekten har fått bred tillämpning i bulkmaterial, inklusive ställdon, sensorer och energiskördare. Det finns ett ökande intresse för att använda piezoelektriska material i nanoskala för att ge lägsta möjliga strömförbrukning för på/av-brytare i MEMS och andra typer av elektroniska datorsystem. Dock, när materialtjockleken närmar sig ett enda molekylärt lager, den stora ytenergin kan göra att piezoelektriska strukturer blir termodynamiskt instabila.

Under de senaste åren, Zhang och hans grupp har genomfört detaljerade studier av molybdendisulfid, en 2D-halvledare som har hög elektrisk ledningsförmåga jämförbar med grafen, men, till skillnad från grafen, har naturliga energibandluckor, vilket innebär att dess konduktans kan stängas av.

"Dikalkogenider av övergångsmetaller som molybdendisulfid kan behålla sina atomära strukturer ner till enskiktsgränsen utan gitterrekonstruktion, även under omgivningsförhållanden, "Säger Zhang. "Senaste beräkningar förutspådde förekomsten av piezoelektricitet i dessa 2D-kristaller på grund av deras brutna inversionssymmetri. För att testa detta, vi kombinerade ett lateralt applicerat elektriskt fält med nano-intryckning i ett atomkraftmikroskop för mätning av piezoelektriskt genererad membranspänning."

Zhang och hans grupp använde en fristående molybdendisulfid enskiktskristall för att undvika substrateffekter, såsom doping och parasitisk laddning, i sina mätningar av den inneboende piezoelektriciteten. De registrerade en piezoelektrisk koefficient på 2,9×10-10 C/m, vilket är jämförbart med många mycket använda material som zinkoxid och aluminiumnitrid.

"Att känna till den piezoelektriska koefficienten är viktigt för att designa atomärt tunna enheter och uppskatta deras prestanda, " säger Natur paper co-lead författare Zhu. "Den piezoelektriska koefficienten vi hittade i molybdendisulfid är tillräcklig för användning i lågeffektlogikomkopplare och biologiska sensorer som är känsliga för molekylmassagränser."

Zhang, Zhu och deras medförfattare upptäckte också att om flera enstaka lager av molybdendisulfidkristaller staplades ovanpå varandra, piezoelektricitet fanns bara i det udda antalet lager (1, 3, 5, etc.)

"Denna upptäckt är intressant ur ett fysikperspektiv eftersom inget annat material har visat liknande lager-nummerkänslighet, " säger Zhu. "Fenomenet kan också visa sig vara användbart för applikationer där vi vill ha enheter som består av så få materialtyper som möjligt, där vissa delar av enheten måste vara icke-piezoelektriska."

Förutom logiska omkopplare och biologiska sensorer, piezoelektricitet i molybdendisulfidkristaller kan också komma till användning i den potentiella nya vägen till kvantberäkning och ultrasnabb databehandling som kallas "valleytronics". Inom valleytronics, information kodas i spinn och momentum hos en elektron som rör sig genom ett kristallgitter som en våg med energitoppar och dalar.

"Vissa typer av valleytronic-enheter beror på absolut kristallorientering, och piezoelektrisk anisotropi kan användas för att bestämma detta, ' säger Natur paper co-lead författare Wang. "Vi undersöker också möjligheten att använda piezoelektricitet för att direkt kontrollera valleytroniska egenskaper som cirkulär dikroism i molybdendisulfid."