En modell för laddningsomfördelning visar hur laddning flyter över fasgränssnitten i ett 2D piezoelektriskt material av molybden (blått) och tellur (gult). De röda områdena är elbrist, den gröna är elektronrik. Spänning från en mikroskopspets förvränger gittret och skapar dipoler vid gränsen mellan atomerna. Kredit:Ajayan Research Group
Det finns fortfarande gott om utrymme i botten för att generera piezoelektricitet. Ingenjörer vid Rice University och deras kollegor visar vägen.
En ny studie beskriver upptäckten av piezoelektricitet - fenomenet genom vilket mekanisk energi förvandlas till elektrisk energi - över fasgränserna för tvådimensionella material.
Arbetet som leds av Rice materialforskarna Pulickel Ajayan och Hanyu Zhu och deras kollegor vid Rices George R. Brown School of Engineering, University of Southern California, University of Houston, Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory och Pennsylvania State University visas i Avancerat material .
Upptäckten kan hjälpa till i utvecklingen av allt mindre nanoelektromekaniska system, enheter som till exempel kan användas för att driva små ställdon och implanterbara biosensorer och ultrakänsliga temperatur- eller trycksensorer.
Forskarna visar att det atomiskt tunna systemet av en metallisk domän som omger halvledande öar skapar en mekanisk respons i materialets kristallgitter när det utsätts för en pålagd spänning.
Närvaron av piezoelektricitet i 2D-material beror ofta på antalet lager, men att syntetisera materialen med ett exakt antal lager har varit en formidabel utmaning, säger Rice-forskaren Anand Puthirath, medförfattare till artikeln.
"Vår fråga var hur man gör en struktur som är piezoelektrisk på flera tjockleksnivåer - monolager, dubbellager, trelager och till och med bulk - från till och med icke-piezoelektriskt material," sa Puthirath. "Det rimliga svaret var att göra en endimensionell metall-halvledarövergång i en 2D-heterostruktur, och på så sätt introducera kristallografisk såväl som laddningsasymmetri vid korsningen."
En bild från ett Kelvin-sondkraftmikroskop visar den elektroniska potentialfördelningen över metall- och halvledarfaserna i MoTe2 . Ett team av forskare ledda av Rice University upptäckte piezoelektricitet över fasgränser i materialet. Kredit:Ajayan Research Group
"Den laterala förbindelsen mellan faser är mycket intressant, eftersom den ger atomärt skarpa gränser i atomärt tunna lager, något som vår grupp var pionjär för nästan ett decennium tidigare," sa Ajayan. "Detta tillåter en att konstruera material i 2D för att skapa enhetsarkitekturer som kan vara unika i elektroniska applikationer."
Kopplingen är mindre än 10 nanometer tjock och bildas när tellurgas införs medan molybdenmetall bildar en film på kiseldioxid i en ugn för kemisk ångavsättning. Denna process skapar öar av halvledande molybdentelluridfaser i havet av metalliska faser.
Att lägga spänning på korsningen via spetsen på ett piezoresponskraftmikroskop genererar ett mekaniskt svar. Det mäter också noggrant styrkan hos piezoelektricitet som skapas vid korsningen.
"Skillnaden mellan gitterstrukturerna och elektrisk ledningsförmåga skapar asymmetri vid fasgränsen som är väsentligen oberoende av tjockleken," sa Puthirath. Det förenklar beredningen av 2D-kristaller för applikationer som miniatyriserade ställdon.
"Ett heterostrukturgränssnitt ger mycket mer frihet för tekniska materialegenskaper än en bulk enstaka förening," sa Zhu. "Även om asymmetri bara existerar på nanoskala, kan den avsevärt påverka makroskopiska elektriska eller optiska fenomen, som ofta domineras av gränssnittet." + Utforska vidare
