È stata aperta una porta agli interruttori di accensione/spegnimento a bassa potenza nei sistemi microelettromeccanici (MEMS) e nei dispositivi nanoelettronici, oltre a biosensori ultrasensibili, con la prima osservazione della piezoelettricità in un semiconduttore bidimensionale indipendente da un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE.

Xiang Zhang, direttore della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un'autorità internazionale sull'ingegneria su nanoscala, ha condotto uno studio in cui la piezoelettricità - la conversione dell'energia meccanica in elettricità o viceversa - è stata dimostrata in un singolo strato autoportante di bisolfuro di molibdeno, un semiconduttore 2D che è un potenziale successore del silicio per dispositivi elettronici più veloci in futuro.

"La piezoelettricità è un effetto ben noto nei cristalli sfusi, ma questa è la prima misura quantitativa dell'effetto piezoelettrico in un singolo strato di molecole che ha dipoli intrinseci nel piano, " dice Zhang. "La scoperta della piezoelettricità a livello molecolare non solo è fondamentalmente interessante, ma potrebbe anche portare a materiali e dispositivi piezo sintonizzabili per la generazione e il rilevamento di forza estremamente piccoli."

Zhang, che detiene la cattedra Ernest S. Kuh Endowed presso l'Università della California (UC) Berkeley ed è membro del Kavli Energy NanoSciences Institute di Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo in Nanotecnologia della natura descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Osservazione della piezoelettricità nel monostrato MoS2 indipendente". I co-autori principali sono Hanyu Zhu e Yuan Wang, entrambi membri del gruppo di ricerca UC Berkeley di Zhang. (Vedi sotto per un elenco completo dei coautori.)

Dalla sua scoperta nel 1880, l'effetto piezoelettrico ha trovato ampia applicazione nei materiali sfusi, compresi gli attuatori, sensori e raccoglitori di energia. C'è un crescente interesse nell'utilizzo di materiali piezoelettrici su scala nanometrica per fornire il minor consumo energetico possibile per gli interruttori on/off nei MEMS e altri tipi di sistemi informatici elettronici. Però, quando lo spessore del materiale si avvicina a un singolo strato molecolare, la grande energia superficiale può rendere termodinamicamente instabili le strutture piezoelettriche.

Negli ultimi due anni, Zhang e il suo gruppo hanno condotto studi dettagliati sul bisolfuro di molibdeno, un semiconduttore 2D che presenta un'elevata conduttanza elettrica paragonabile a quella del grafene, ma, a differenza del grafene, ha bande di energia naturali, il che significa che la sua conduttanza può essere disattivata.

"I dicalcogenuri dei metalli di transizione come il bisolfuro di molibdeno possono mantenere le loro strutture atomiche fino al limite del singolo strato senza ricostruzione del reticolo, anche in condizioni ambientali, "Dice Zhang. "Calcoli recenti hanno previsto l'esistenza di piezoelettricità in questi cristalli 2D a causa della loro simmetria di inversione rotta. Per testare questo, abbiamo combinato un campo elettrico applicato lateralmente con nano-indentazione in un microscopio a forza atomica per la misurazione dello stress di membrana generato piezoelettricamente".

Zhang e il suo gruppo hanno utilizzato un cristallo monostrato di disolfuro di molibdeno indipendente per evitare qualsiasi effetto del substrato, come doping e carica parassitaria, nelle loro misurazioni della piezoelettricità intrinseca. Hanno registrato un coefficiente piezoelettrico di 2,9×10-10 C/m, che è paragonabile a molti materiali ampiamente utilizzati come l'ossido di zinco e il nitruro di alluminio.

"Conoscere il coefficiente piezoelettrico è importante per progettare dispositivi atomicamente sottili e stimare le loro prestazioni, " dice Natura co-autore della carta Zhu. "Il coefficiente piezoelettrico che abbiamo trovato nel bisolfuro di molibdeno è sufficiente per l'uso in interruttori logici a bassa potenza e sensori biologici che sono sensibili ai limiti di massa molecolare".

Zhang, Zhu e i loro coautori hanno anche scoperto che se diversi strati singoli di cristalli di bisolfuro di molibdeno venivano impilati uno sopra l'altro, piezoelettricità era presente solo nel numero dispari di strati (1, 3, 5, eccetera.)

"Questa scoperta è interessante dal punto di vista della fisica poiché nessun altro materiale ha mostrato una sensibilità simile al numero di strati, " Zhu dice. "Il fenomeno potrebbe rivelarsi utile anche per applicazioni in cui vogliamo dispositivi costituiti dal minor numero possibile di tipi di materiali, dove alcune aree del dispositivo devono essere non piezoelettriche."

Oltre agli interruttori logici e ai sensori biologici, la piezoelettricità nei cristalli di disolfuro di molibdeno potrebbe anche trovare impiego nella potenziale nuova strada verso l'informatica quantistica e l'elaborazione dei dati ultraveloce chiamata "valleytronica". In Valleytronics, l'informazione è codificata nello spin e nel momento di un elettrone che si muove attraverso un reticolo cristallino come un'onda con picchi e valli di energia.

"Alcuni tipi di dispositivi Valleytronic dipendono dall'orientamento assoluto dei cristalli, e l'anisotropia piezoelettrica può essere impiegata per determinarlo, ' dice Natura co-autore della carta Wang. "Stiamo anche studiando la possibilità di utilizzare la piezoelettricità per controllare direttamente le proprietà valleytronic come il dicroismo circolare nel bisolfuro di molibdeno".