Questo è un fumetto che mostra cariche polarizzate positive e negative spremute da un singolo strato di atomi di bisolfuro di molibdeno (MoS2), mentre viene allungato. Credito:Lei Wang/Columbia Engineering
I ricercatori della Columbia Engineering e del Georgia Institute of Technology riferiscono oggi di aver effettuato la prima osservazione sperimentale della piezoelettricità e dell'effetto piezotronico in un materiale atomicamente sottile, bisolfuro di molibdeno (MoS2), risultando in un generatore elettrico unico e dispositivi di meccanosensazione otticamente trasparenti, estremamente leggero, e molto flessibile ed estensibile.
In un documento pubblicato online il 15 ottobre, 2014, in Natura , gruppi di ricerca delle due istituzioni dimostrano la generazione meccanica di elettricità dal materiale MoS2 bidimensionale (2D). L'effetto piezoelettrico in questo materiale era stato precedentemente previsto teoricamente.
La piezoelettricità è un effetto ben noto in cui allungare o comprimere un materiale fa sì che generi una tensione elettrica (o viceversa, in cui una tensione applicata ne provoca l'espansione o la contrazione). Ma per materiali di pochi spessori atomici, non è stata fatta alcuna osservazione sperimentale della piezoelettricità, fino ad ora. L'osservazione riportata oggi fornisce una nuova proprietà per materiali bidimensionali come il bisolfuro di molibdeno, aprendo il potenziale per nuovi tipi di dispositivi elettronici controllati meccanicamente.
"Questo materiale, solo un singolo strato di atomi, potrebbe essere realizzato come un dispositivo indossabile, magari integrato nell'abbigliamento, convertire l'energia dal movimento del corpo in elettricità e alimentare sensori indossabili o dispositivi medici, o forse fornire energia sufficiente per caricare il tuo cellulare in tasca, "dice James Hone, professore di ingegneria meccanica alla Columbia e co-leader della ricerca.
"La prova dell'effetto piezoelettrico e dell'effetto piezotronico aggiunge nuove funzionalità a questi materiali bidimensionali, "dice Zhong Lin Wang, Professore di Regents alla School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech e co-leader della ricerca. "La comunità dei materiali è entusiasta del bisolfuro di molibdeno, e dimostrare l'effetto piezoelettrico in esso aggiunge una nuova sfaccettatura al materiale."
Hone e il suo gruppo di ricerca hanno dimostrato nel 2008 che il grafene, una forma 2D di carbonio, è il materiale più resistente. Lui e Lei Wang, un borsista post-dottorato nel gruppo di Hone, hanno esplorato attivamente le nuove proprietà dei materiali 2D come il grafene e il MoS2 mentre vengono allungati e compressi.
I ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Columbia Engineering hanno effettuato la prima osservazione sperimentale della piezoelettricità e dell'effetto piezotronico in un materiale atomicamente sottile, bisolfuro di molibdeno (MoS2). Viene mostrato un campione del materiale che è stato testato come parte della ricerca. Il materiale potrebbe essere la base per generatori elettrici unici e dispositivi di meccanosensazione otticamente trasparenti, estremamente leggero, e molto flessibile ed estensibile. Credito:Rob Felt/Georgia Tech
Zhong Lin Wang e il suo gruppo di ricerca hanno aperto la strada al campo dei nanogeneratori piezoelettrici per convertire l'energia meccanica in elettricità. Lui e il borsista Wenzhuo Wu stanno anche sviluppando dispositivi piezotronici, che utilizzano cariche piezoelettriche per controllare il flusso di corrente attraverso il materiale proprio come fanno le tensioni di gate nei convenzionali transistor a tre terminali.
Ci sono due chiavi per usare il bisolfuro di molibdeno per generare corrente:usare un numero dispari di strati e fletterlo nella direzione corretta. Il materiale è altamente polare, ma, Zhong Lin Wang osserva, quindi un numero pari di strati annulla l'effetto piezoelettrico. Anche la struttura cristallina del materiale è piezoelettrica solo in determinati orientamenti cristallini.
Per il Natura studio, Il team di Hone ha posizionato sottili scaglie di MoS2 su substrati di plastica flessibili e ha determinato come erano orientati i loro reticoli cristallini utilizzando tecniche ottiche. Hanno quindi modellato elettrodi metallici sui fiocchi. Nella ricerca effettuata presso la Georgia Tech, Il gruppo di Wang ha installato elettrodi di misurazione su campioni forniti dal gruppo di Hone, quindi i flussi di corrente misurati mentre i campioni venivano deformati meccanicamente. Hanno monitorato la conversione di energia meccanica in energia elettrica, e uscite di tensione e corrente osservate.
I ricercatori hanno anche notato che la tensione di uscita ha invertito il segno quando hanno cambiato la direzione della deformazione applicata, e che è scomparso in campioni con un numero pari di strati atomici, confermando le previsioni teoriche pubblicate lo scorso anno. Per la prima volta è stata osservata anche la presenza dell'effetto piezotronico nello strato dispari MoS2.
"La cosa veramente interessante è che ora abbiamo scoperto che un materiale come MoS2, che non è piezoelettrico in forma sfusa, può diventare piezoelettrico quando viene assottigliato fino a un singolo strato atomico, " dice Lei Wang.
Per essere piezoelettrico, un materiale deve rompere la simmetria centrale. Un singolo strato atomico di MoS2 ha una tale struttura, e dovrebbe essere piezoelettrico. Però, alla rinfusa MoS2, strati successivi sono orientati in direzioni opposte, e generano tensioni positive e negative che si annullano a vicenda e danno un effetto piezoelettrico netto pari a zero.
I ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Columbia Engineering hanno effettuato la prima osservazione sperimentale della piezoelettricità e dell'effetto piezotronico in un materiale atomicamente sottile, bisolfuro di molibdeno (MoS2). Viene mostrato un campione del materiale che è stato testato come parte della ricerca. Il materiale potrebbe essere la base per generatori elettrici unici e dispositivi di meccanosensazione otticamente trasparenti, estremamente leggero, ed estremamente flessibile ed estensibile. Credito:Rob Felt/Georgia Tech
"Questo aggiunge un altro membro alla famiglia dei materiali piezoelettrici per dispositivi funzionali, "dice Wenzhuo Wu.
Infatti, MoS2 è solo uno di un gruppo di materiali semiconduttori 2D noti come dicalcogenuri di metalli di transizione, si prevede che tutti abbiano proprietà piezoelettriche simili. Questi fanno parte di una famiglia ancora più ampia di materiali 2D i cui materiali piezoelettrici rimangono inesplorati. È importante sottolineare che come è stato dimostrato da Hone e dai suoi colleghi, I materiali 2D possono essere allungati molto più lontano dei materiali convenzionali, piezoelettrici ceramici particolarmente tradizionali, che sono piuttosto fragili.
La ricerca potrebbe aprire la porta allo sviluppo di nuove applicazioni per il materiale e le sue proprietà uniche.
"Questo è il primo lavoro sperimentale in quest'area ed è un elegante esempio di come il mondo diventa diverso quando la dimensione del materiale si riduce alla scala di un singolo atomo, " Hone aggiunge. "Con quello che stiamo imparando, siamo ansiosi di costruire dispositivi utili per tutti i tipi di applicazioni."
In definitiva, Zhong Lin Wang osserva, la ricerca potrebbe portare a nanosistemi di spessore atomico completi che sono autoalimentati raccogliendo energia meccanica dall'ambiente. Questo studio rivela anche per la prima volta l'effetto piezotronico nei materiali bidimensionali, che amplia notevolmente l'applicazione di materiali stratificati per l'interfaccia uomo-macchina, robotica, MEMS, ed elettronica flessibile attiva.
