Rice University forskare har hittat bevis på piezoelektricitet i labbodlade, tvådimensionella flingor av molybdendioxid.

Deras undersökning visade att de överraskande elektriska egenskaperna beror på elektroner fångade i defekter i hela materialet, som är mindre än 10 nanometer tjock. De karakteriserar dessa laddningar som elektreter, som förekommer i vissa isoleringsmaterial och genererar inre och yttre elektriska fält.

Piezoelektricitet är också en egenskap hos material som reagerar på stress genom att generera en elektrisk spänning över deras ytor eller generera mekanisk påkänning som svar på ett pålagt elektriskt fält. Den har många praktiska och vetenskapliga användningsområden, från omvandlingen av en vickande gitarrsträng till en elektrisk signal till skanningsmikroskop som de som användes för att göra det nya fyndet.

Forskarna vid Rice's Brown School of Engineering fann att deras flingor i mikronskala uppvisar en piezoelektrisk respons som är lika stark som den som observeras i sådana konventionella 2-D piezoelektriska material som molybdendisulfid. Rapporten från Rice material scientist Pulickel Ajayan och medarbetare visas i Avancerade material .

Nyckeln verkar vara defekter som gör molybdendioxidens kristallgitter ofullkomligt. När ansträngd, dipolerna hos elektroner som är fångade i dessa defekter verkar vara i linje, som med andra piezoelektriska material, skapar ett elektriskt fält som leder till den observerade effekten.

"Supertunn, 2D-kristaller fortsätter att visa överraskningar, som i vår studie, "Ajayan sa. "Defekt ingenjörskonst är en nyckel till ingenjörsegenskaper hos sådana material men är ofta utmanande och svåra att kontrollera."

"Molybdendioxid förväntas inte visa någon piezoelektricitet, " tillade Rice postdoktor Anand Puthirath, en medförfattare till tidningen. "Men eftersom vi gör materialet så tunt som möjligt, instängningseffekter kommer in i bilden."

Han sa att effekten uppträder i molybdendioxidflingor som odlats genom kemisk ångavsättning. Att stoppa tillväxtprocessen vid olika punkter gav forskarna viss kontroll över defekternas täthet, om inte deras distribution. Huvudförfattaren och Rice-alumnen Amey Apte lade till forskarnas singelkemikalie, prekursorbaserad ångavsättningsteknik "hjälper till reproducerbarheten och den rena naturen hos odling av molybdenoxid på en mängd olika substrat."

Forskarna fann att den piezoelektriska effekten är stabil vid rumstemperatur under betydande tidsskalor. Molybdendioxidflingorna förblev stabila vid temperaturer upp till 100° Celsius (212 grader Fahrenheit). Men att glödga dem i tre dagar vid 250°C (482°F) eliminerade defekterna och stoppade den piezoelektriska effekten.

Puthirath sa att materialet har många potentiella tillämpningar. "Den kan användas som en energiskördare, för om du anstränger det här materialet, det kommer att ge dig energi i form av elektricitet, " sa han. "Om du ger den spänning, du inducerar mekanisk expansion eller kompression. Och om du vill mobilisera något på nanoskala, du kan helt enkelt lägga på spänning och detta kommer att expandera och flytta partikeln som du vill."