Fig. 1. Illustrazione schematica della caratterizzazione locale della piezoelettricità nel piano e della piezoelettricità verticale. Piezoelettricità nel piano (piezo) ( D 11 , D 22 ) dei materiali ultrasottili è il comportamento di coppia elettromeccanica planare, dove lo stress applicato e il potenziale piezoelettrico prodotto si trovano nel piano del piano reticolare esposto. Piezoelettricità verticale ( D 33 ) focus sull'interazione elettromeccanica avvenuta nell'asse verticale, che è perpendicolare alla superficie dei materiali. L'attuatore di deformazione ad alta precisione può essere implementato utilizzando un posizionamento accurato della superficie dei materiali mediante piezoelettricità verticale inversa. Credito:X. Wang, X. Lui, H. Zhu, L. Sole, W. Fu, X. Wang, L.C. Hoong, H. Wang, D. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z.Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Deformazione subatomica guidata dalla piezoelettricità verticale da film ultrasottili di CdS. Sci. avv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 Gli autori, alcuni diritti riservati; licenziatario esclusivo dell'American Association for the Advancement of Science. Distribuito con licenza Creative Commons Attribution NonCommercial 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
Piezoelettricità ( alias l'effetto piezoelettrico) si verifica all'interno di alcuni materiali - cristalli (in particolare quarzo), alcune ceramiche, osso, DNA, e un certo numero di proteine - quando l'applicazione di sollecitazioni meccaniche o vibrazioni genera carica elettrica o tensione di corrente alternata (AC), rispettivamente. (Al contrario, i materiali piezoelettrici possono vibrare quando viene applicata loro la tensione CA.) L'effetto piezoelettrico ha una gamma significativa di usi, compresa la produzione e il rilevamento del suono, generazione di alte tensioni e frequenze elettroniche, tecnologie di imaging a risoluzione atomica (ad es. tunneling a scansione e microscopia a forza atomica), e attuatori per il posizionamento altamente accurato di oggetti su scala nanometrica, quest'ultimo cruciale per la ricerca fondamentale e le applicazioni industriali. Detto ciò, il posizionamento su scala subatomica presenta ancora una serie di sfide. Recentemente, però, ricercatori della Nanyang Technological University, Singapore, Accademia cinese delle scienze, Suzhou, e la Duke University, Durham ha dimostrato la piezoelettricità verticale su scala atomica (da tre a cinque reticoli spaziali) utilizzando pellicole ultrasottili di solfuro di cadmio (CdS). I ricercatori hanno determinato un coefficiente piezoelettrico verticale ( D 33 ) tre volte quella del bulk CdS utilizzando sul posto scansione microscopia a forza di Kelvin e microscopia a forza piezoelettrica a tracciamento di risonanza AC singola e doppia, portandoli a concludere che i loro risultati hanno una serie di ruoli critici nella progettazione di sensori e dispositivi microelettromeccanici di prossima generazione.
Il prof. Zheng Liu ha discusso il documento che lui, Il dottor Ting Zhang e i loro colleghi hanno pubblicato su Progressi scientifici , descrivendo una serie di sfide che hanno dovuto affrontare a partire dall'utilizzo della deposizione chimica da vapore per sintetizzare film sottili di solfuro di cadmio (CdS) di 2~3 nm. "La piezoelettricità verticale, o D 33 , è il parametro chiave nei materiali piezoelettrici per la fabbricazione di attuatori utilizzati per posizionare oggetti con estrema precisione, fino alla scala atomica in un'ampia gamma di apparecchiature all'avanguardia come la microscopia a forza atomica e la microscopia a scansione tunnel, "Liu racconta Phys.org . "Inoltre, i materiali piezoelettrici ultrasottili ad alte prestazioni sono cruciali per la costruzione di dispositivi ad altissima risoluzione e flessibili accoppiati elettromeccanicamente."
Prima di questo studio, Liu sottolinea, solo pochi studi hanno riportato la sintesi di materiali piezoelettrici sottili atomici con un metodo chimico umido, esempi dei quali includono CdS e nanopiastrine di seleniuro di cadmio (CdSe). "È una sfida significativa produrre materiali piezoelettrici di alta qualità e sottili come un atomo, " aggiunge. "In questa ricerca, la principale sfida nella sintesi di film di CdS piezoelettrici ultrasottili tramite deposizione chimica in fase vapore" (o CVD) "sta nella selezione dei precursori e come ottimizzare i parametri di reazione, come la crescita della temperatura e del tempo."
Gli scienziati si sono quindi trovati di fronte alla dimostrazione D 33 piezoelettricità verticale su scala atomica utilizzando film sottili ultrasottili di solfuro di cadmio. "Quando lo spessore dei materiali raggiunge il livello su scala nanometrica, "Liu spiega, "è molto difficile verificare l'effetto piezoelettrico e determinarne i valori a causa dell'effetto di accoppiamento dal substrato - e anche le geometrie della superficie possono influenzare le misurazioni ai limiti atomici". Per esempio, lui illustra, la rugosità superficiale del campione raggiunge decine di picometri, che è la stessa scala con la risposta elettromeccanica verticale per i materiali.
Fig. 3. Caratterizzazione spettroscopica di film sottili di CdS. (A) Energia ( E ) struttura a bande in prossimità del punto della zona di Brillouin, che mostra il processo di emissione dei fotoni. (B e C) Spettro PL del film sottile CdS dai punti i e ii contrassegnati in (C) con segni più, che mostra una forte emissione sul bordo della banda (506 nm) di film ultrasottile CdS ed emissione correlata al difetto (595 nm). (C) Immagine ottica del film sottile CdS con una microparticella arrotondata al centro. a.u., unità arbitrarie. (D ed E) Mappatura PL a un'emissione di 514 nm con una barra di scala diversa, dimostrando un'elevata uniformità e omogeneità dei film sottili di CdS nell'area esterna. (F) Mappatura PL all'emissione di 595 nm, indicando che l'emissione correlata al difetto si verifica solo nella microparticella CdS più spessa. Credito:X. Wang, X. Lui, H. Zhu, L. Sole, W. Fu, X. Wang, L.C. Hoong, H. Wang, D. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z.Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Deformazione subatomica guidata dalla piezoelettricità verticale da film ultrasottili di CdS. Sci. avv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 Gli autori, alcuni diritti riservati; licenziatario esclusivo dell'American Association for the Advancement of Science. Distribuito con licenza Creative Commons Attribution NonCommercial 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
Infine – e ricordando la sfida nel dimostrare D 33 piezoelettricità verticale su scala atomica utilizzando film sottili di CdS:i ricercatori hanno dovuto determinare il coefficiente piezoelettrico verticale del film di CdS con sul posto scansione microscopia a forza di Kelvin (SKFM) e microscopia a forza piezoelettrica a tracciamento di risonanza AC singola e doppia (DART-PFM). "La qualità dei CdS piezoelettrici ultrasottili è la chiave per ottenere un coefficiente piezoelettrico verticale affidabile." Note di Liu. "Alcuni strumenti di caratterizzazione come Raman e spettroscopie di fotoluminescenza possono aiutarci a identificare il campione CdS e confermarne l'alta qualità. Inoltre, a causa delle vibrazioni geometriche dei campioni CdS, la caratterizzazione della microscopia a forza atomica dovrebbe essere eseguita con attenzione per assicurarsi che le nostre conclusioni siano solide." Ciò ha richiesto ai ricercatori di esaminare molti campioni SKFM e DART-PFM utilizzati per raggiungere una conclusione solida sul comportamento piezoelettrico verticale nei film ultrasottili di CdS.
Liu commenta che affrontare queste sfide richiedeva tecniche innovative. "Per la prima volta, abbiamo sintetizzato con successo film sottili di CdS atomici di alta qualità utilizzando CVD, e abbiamo dimostrato la piezoelettricità verticale di questi film alla scala atomica di 3~5 reticoli spaziali" (uno spazio, or crystal, lattice being a periodically repeating two- or three-dimensional array of points or particles) "and observed the vertical piezoelectric domains. More importantly, " Liu continues, "our work shows an enhanced vertical piezoelectricity in CdS ultrathin films at a level three times larger than the CdS bulk counterpart, as well as higher than most of traditional piezoelectric materials." These results imply non-trivial piezoelectric behavior at atomic limits for a certain class of materials – which has not yet been well explored – and inspires the search for two-dimensional free-standing layered piezoelectric materials that are only one atom thick.
Liu points out that their findings shed light on the design of next-generation sensors, actuators and microelectromechanical devices, in that piezoelectric materials are the most important component for such devices. Nello specifico, he says that their findings provide the opportunity for next-generation sensors and microelectromechanical devices in three ways:
Fig. 4. Noncontact SKFM and standard contact PFM investigation for CdS thin film. (A and B) Schematic illustration of SKFM (A) and PFM (B) measurements. (C) Band diagram of tip and sample when they are electrically separated (top graph) and electrically contacted (bottom graph). D , distance; VL, vacuum levels; Q , electronic charge; V C , contact potential difference. (D) Optical image of CdS thin films. (E and F) Topography (E) and phase (F) images observed by SKFM mode for the single CdS thin film marked in (D). (G to I) Corresponding potential mappings with tip voltages of 3, 6, and 9 V, rispettivamente. Insets show histograms of the surface potential distributions. The CdS ultrathin film has a higher positive voltage (~0.9 V) than the substrate, demonstrating that a large amount of charges are accumulated at a CdS thin film after contact PFM scanning. (J) Amplitude images observed by contact PFM technology with tip voltages from 1 to 6 V, showing remarkable inverse piezoelectricity. (K) Average amplitude variations versus applied voltages calculated from (J). Error bars indicate 1 SD. Barre della scala, 2 μm (E to J). The linearly fitted line shows that the measured piezoelectric coefficient D eff is ~16.4 pm·V −1 , whereas the vertical piezoelectric coefficient D 33 is ~32.8 pm·V −1 . Credit:X. Wang, X. He, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Subatomic deformation driven by vertical piezoelectricity from CdS ultrathin films. Sci. avv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
Liu illustrates these points by listing potential examples of such devices – for example, atomically thin piezoelectric devices – and their applications. "Ad esempio, using CdS ultrathin films, the most accurate probe or stage ever fabricated may be achievable, allowing researchers and engineers to manipulate atoms or position tips in atomic force, scanning electron and transmission electron microscopy. In altre parole, CdS ultrathin films will extend our capability to see and manipulate our world in an extreme way." Of more importance, Aggiunge, such ultrathin piezoelectric devices can be integrated into equipment like autocollimators and Michelson interferometers used in, Per esempio, cold atom studies, the verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves.
The study also reports the sul posto measurement of the ultrathin CdS film vertical piezoelectric coefficient D 33 , determining the film coefficient to be approximately three times larger than that of bulk CdS. "This value is pretty big for atomically thin materials, " Liu explains. "It means that we can get a large voltage change when small pressure or deformation is applied. This makes the material a great candidate constructing sensitive and ultrathin mechanical sensors."
Fig. 6. Simulation of vertical piezoelectricity and subatomic deformation actuator. (A) Three-dimensional image of potential drop on CdS film. (B) Scanning electron microscopy image of a conductive tip for PFM characterization. (C and D) Bottom and side views of stress distribution on CdS film. (E to G) Simulation for subatomic deformation actuator. Different potentials were applied to surface deformation curves (E), mappings (G), and vertical deformation (F) of CdS thin films. Credit:X. Wang, X. He, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Subatomic deformation driven by vertical piezoelectricity from CdS ultrathin films. Sci. avv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
The researchers concluded that contact piezoresponse force microscopy (PFM) – which uses a conductive tip to apply a highly localized electric field that allows imaging and manipulation of piezoelectric ferroelectric materials – could significantly change the surface potential of a CdS ultrathin film by applying stress to its surface. "Tipicamente, applying mechanical stress to a piezoelectric material will generate electric charge that accumulates at the surface of the material, which is how we identify the piezoelectric materials, " Liu tells Phys.org . "We therefore believe that this results from piezoelectric polarizations giving rise to a large piezoelectric potential, in turn leading to a remarkable spatial separation of electrons and holes." In this case, electrons generated by the piezoelectric effect will be trapped into the silicon dioxide (SiO 2) dielectric layers, while the holes will be trapped inside the crystal boundary of the CdS films.
The scientists state that their work may pave a way to the synthesis of ultrathin lattice scale nanomaterials using CVD method, which is a low-cost method for producing high quality samples. Inoltre, Liu notes, the materials provided by their study will enable the high-integrated and multi-functional devices by simply coating or transferring the film to the device. "For actuator applications, our work will promote next generation actuators with extreme resolution for their potential use in characterization tools such as ultra-high resolution microscopy; for atom manipulation and fabrication; or potentially for the detection of ultra-low deformation in, Per esempio, cold atom studies, verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves."
Andando avanti, Liu says, the scientists will determine the relationship between the vertical piezoelectric coefficient D 33 and the thickness of CdS at atomic scales. "Well also synthesize other piezoelectric, ferroelectric and layered piezoelectric/ferroelectric ultrathin materials, and explore their electromechanical properties." Based on this material and micro/nano-manufacture technology, the researchers hope to design and fabricate next-generation actuators for accurate positioning of minute objects, such as nanoparticles at subatomic scales, using their novel materials.
Inoltre, the large vertical piezoelectric coefficient D 33 makes this material promising to construction of ultrathin and sensitive pressure sensors for detecting miniscule forces. If the low detection limit of sensor reaches to nanoscale levels, the device could monitor single biological cell migration.
"Our study will inspire material scientists to hunt for other non-trivial ultrathin or layered piezoelectric or ferroelectric materials, " Liu tells Phys.org . "Engineers can employ our CdS ultrathin films to design and fabricate novel microelectromechanical systems, " or MEMS, "and nanoelectromechanical systems, " or NEMS, "with high-integration and multi-functionalities, and may benefit when developing cutting-edge scientific instruments. Per di più, "conclude, "novel and flexible consumer electronic devices can be developed based on our study."
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