Ett RMIT-UNSW-samarbete har tillämpat syntet av flytande metall på piezoelektriska, flexibel framtid, bärbar elektronik, och biosensorer som drar sin kraft från kroppens rörelser.

Material som atomiskt tunn tennmonosulfid (SnS) förutsägs uppvisa starka piezoelektriska egenskaper, omvandla mekaniska krafter eller rörelse till elektrisk energi. Denna fastighet, tillsammans med sin inneboende flexibilitet, gör dem troliga kandidater för att utveckla flexibla nanogeneratorer som kan användas i bärbar elektronik eller internt, självdrivna biosensorer.

Dock, hittills, denna potential har hållits tillbaka av begränsningar när det gäller att syntetisera stora, högkristallint monoskikt tennmonosulfid (och andra grupp IV monokalkogenider), med svårigheter orsakade av stark mellanskiktskoppling. Den nya studien löser detta problem genom att tillämpa en ny teknik för flytande metall, utvecklad på RMIT, för att syntetisera materialen. Efterföljande mätningar bekräftar att tennmonosulfid syntetiserat med den nya metoden visar utmärkta elektroniska och piezoelektriska egenskaper. Det resulterande stabila, flexibel monoskiktstennmonosulfid kan införlivas i en mängd olika anordningar för effektiv energihämtning.

Arbetet startade för över två och ett halvt år sedan och ett starkt samarbete mellan RMIT och UNSW gjorde det möjligt. Hareem Khan, tidningens första författare, visade enastående uthållighet för att övervinna många tekniska utmaningar för att visa konceptets livskraft, med prof Yongxiang Li.

Flytande metallsyntes

Den oöverträffade syntestekniken innefattar van der Waals exfoliering av en tinsulfid (SnS), som bildas på tennytan när den smälts, medan den utsätts för omgivningen av vätesulfid (H ₂ S) gas. H ₂ S bryts ned på gränssnittet och svavlar ytan av smältan för att bilda SnS.

Tekniken är lika tillämplig på andra monoskalkogenider i monoskiktsgrupp IV, som förutses uppvisa samma starka piezoelektricitet. Denna flytande metallbaserade metod gör att vi kan extrahera homogena och storskaliga monoskikt av SnS med minimala spannmålsgränser.

Mätningar bekräftar att materialet har hög bärarrörlighet och piezoelektrisk koefficient, vilket översätter till exceptionella toppvärden för genererad spänning och laddningseffekt för en viss applicerad stam, imponerande högre än någon tidigare rapporterad 2-D-nanogenerator.

Hög hållbarhet och flexibilitet hos enheterna demonstreras också. Detta är ett bevis på att det mycket stabila asyntetiserade monoskiktet SnS kan kommersiellt implementeras i kraftgenererande nanodatorer. De kan också användas för att utveckla givare för att skörda mekaniska mänskliga rörelser, i enlighet med de nuvarande tekniska benägenheterna till smart, bärbar och flexibel elektronik.

Resultaten är ett steg mot piezoelektriska, flexibel, bärbara energikrävande enheter.Den presenterar också en oöverträffad syntesteknik för stora (skivor) tennmonosulfidmonoskikt.

Piezoelektriska material

Piezoelektriska material kan omvandla applicerad mekanisk kraft eller belastning till elektrisk energi. Mest känd för den enkla "piezo" -tändaren som används för gasgrillar och spishällar, piezo-elektriska enheter som känner av plötsliga förändringar i acceleration används för att utlösa fordonets krockkuddar, och känsligare enheter känner igen orienteringsändringar i mobiltelefoner eller utgör grunden för ljud- och trycksensorer.

Ännu mer känsliga piezoelektriska material kan dra fördel av de små spänningarna som genereras av extremt liten mekanisk förskjutning, vibration, böjning eller sträckning för att driva miniatyriserade enheter, till exempel biosensorer inbäddade i människokroppen, ta bort behovet av en extern strömkälla.

Studien, "Flytande metallbaserad syntes av högpresterande monoskikt SnS piezoelektriska nanogeneratorer, "publicerades i Naturkommunikation i juli 2020.