Vissa material kan generera en liten spänning när de böjs och, omvänt, kan böjas som svar på en spänning. Detta fenomen kallas flexoelektricitet, och tills nu, man trodde att effekten bara fanns i elektriska isolatorer (material som inte leder elektricitet). Dock, ett forskarlag från Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i Barcelona rapporterar idag i en artikel i Natur att flexoelektriska effekter är mer allmänt förekommande än man tidigare trott. ICN2-forskarna rapporterar att halvledare, som kan ses som halvvägs mellan elektriska isolatorer och faktiska metaller, genererar också elektricitet som svar på böjning.

Detta är viktigt eftersom halvledare är en vanlig familj av material som vanligtvis används i transistorer (hjärtat i integrerade kretsar) och fotovoltaiska celler. De nya resultaten visar att det i princip är möjligt att använda dem som trycksensorer och elektriska mikrogeneratorer.

Författarna till studien är Dr Jackeline Narvaez, Doktorand Fabián Vásquez-Sancho, och ICREA forskningsprofessor Gustau Catalan.

Utbredd flexoelektricitet

Flexoelektricitet uppstår som en konsekvens av all asymmetri i deformationen av ett material. Att böja ett material tvingar atomerna närmare varandra inuti kröken, och längre ifrån varandra på utsidan. Denna omfördelning av atomerna tvingar fram omfördelningen av deras elektriska laddningar, som kan utnyttjas för att etablera en elektrisk ström mellan insidan och utsidan av kröken.

Tills nu, det var känt att alla elektriska isolatorer kan vara flexoelektriska. Den överraskande upptäckten av ICN2-forskarna är att halvledare också kan vara flexoelektriska – och faktiskt, de kan generera mer laddning än isolatorer. Den viktigaste ingrediensen i denna nya böjningsinducerade elektricitet är i ytan av materialen.

Ytan är enheten

De Natur artikel, publiceras online idag, beskriver hur kristaller av ett initialt isolerande material kan generera 1000 gånger mer böjelektricitet när de dopas till halvledare. Anledningen är att, även om insidan av dessa kristaller blir ledande som ett resultat av dopning, ytorna förblir isolerande. Detta innebär att ytorna inte bara fortfarande kan polarisera, men dessutom de får en extra kostnad från den halvledande interiören.

Eftersom det elektromekaniska svaret i halvledare domineras av ytan snarare än bulken, författarna kallar denna effekt "flexoelektrisk-liknande". Responsen är identisk med flexoelektricitet ur praktisk synvinkel - det är en elektrisk ström som genereras som svar på böjning - men skiljer sig från den grundläggande synpunkten för dess ursprung.

Det är också anmärkningsvärt att mätning av ytans flexoelektriska respons är en viktig vetenskaplig milstolpe i sig. I alla tidigare mätningar, som utfördes i isolatorer istället för halvledare, ytsignalen blandades alltid med bulksignalen som kom från kristallens inre. Detta är första gången som ytans respons har mätts separat.

Flexoelektriska halvledare är också konkurrenskraftiga på makroskala

Traditionell flexoelektricitet (d.v.s. flexoelektriciteten hos isolatorer) är viktig på nanoskala. Tills nu, dock, det var inte praktiskt i makroskala. Istället, den dominerande effekten på makroskalan var piezoelektricitet, varvid vissa material genererar elektricitet som svar på kompression, snarare än att böja sig. Anledningen är att material är mycket svårare att böja när de är tjocka (makroskala) än när de är tunna (nanoskala), vilket är intuitivt – tänk bara på hur mycket svårare det är att böja en 1000-sidig bok jämfört med att böja ett pappersark.

Dock, den flexoelektriska responsen hos halvledare har en viktig egenskap:Den ökar med tjockleken på materialet. Således, förlusten av flexibilitet kompenseras av ökningen av flexoelektricitet, och detta tillåter en konkurrenskraftig produktion oberoende av enhetens tjocklek. Avgörande, denna flexoelektriska respons kan i princip finnas i vilket halvledande material som helst, piezoelektricitet är endast möjlig i ett begränsat antal material. de bästa är blybaserade och därför giftiga.

Författarna är så övertygade om den potentiella användbarheten av deras upptäckt att de har lämnat in ett patent och söker för närvarande industriella partners för att utveckla tekniska tillämpningar av halvledarflexoelektricitet.