Un modello di ridistribuzione della carica mostra come la carica scorre attraverso le interfacce di fase in un materiale piezoelettrico 2D di molibdeno (blu) e tellurio (giallo). Le aree rosse sono elettro-carenti, il verde è ricco di elettroni. La tensione proveniente dalla punta di un microscopio distorce il reticolo e crea dipoli al confine tra gli atomi. Credito:Ajayan Research Group
C'è ancora molto spazio nella parte inferiore per generare piezoelettricità. Gli ingegneri della Rice University ei loro colleghi stanno indicando la strada.
Un nuovo studio descrive la scoperta della piezoelettricità, il fenomeno mediante il quale l'energia meccanica si trasforma in energia elettrica, attraverso i confini di fase dei materiali bidimensionali.
Il lavoro condotto dagli scienziati dei materiali della Rice Pulickel Ajayan e Hanyu Zhu e dai loro colleghi della George R. Brown School of Engineering della Rice, della University of Southern California, dell'Università di Houston, del Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory e della Pennsylvania State University appare in Materiali avanzati .
La scoperta potrebbe aiutare nello sviluppo di sistemi nanoelettromeccanici sempre più piccoli, dispositivi che potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per alimentare piccoli attuatori e biosensori impiantabili e sensori di temperatura o pressione ultrasensibili.
I ricercatori mostrano che il sistema atomicamente sottile di un dominio metallico che circonda le isole semiconduttrici crea una risposta meccanica nel reticolo cristallino del materiale quando sottoposto a una tensione applicata.
La presenza di piezoelettricità nei materiali 2D dipende spesso dal numero di strati, ma sintetizzare i materiali con un numero preciso di strati è stata una sfida formidabile, ha affermato il ricercatore della Rice Anand Puthirath, co-autore principale dell'articolo.
"La nostra domanda era come realizzare una struttura piezoelettrica a più livelli di spessore - monostrato, doppio strato, tristrato e persino sfuso - anche da materiale non piezoelettrico", ha affermato Puthirath. "La risposta plausibile era quella di creare una giunzione unidimensionale, metallo-semiconduttore in un'eterostruttura 2D, introducendo così un'asimmetria cristallografica e di carica alla giunzione."
Un'immagine da un microscopio a forza di sonda Kelvin mostra la distribuzione del potenziale elettronico attraverso le fasi metalliche e semiconduttrici di MoTe2 . Un team di ricercatori guidato dalla Rice University ha scoperto la piezoelettricità attraverso i confini di fase nel materiale. Credito:Ajayan Research Group
"La giunzione laterale tra le fasi è molto interessante, dal momento che fornisce confini atomicamente nitidi in strati atomicamente sottili, qualcosa che il nostro gruppo ha sperimentato quasi un decennio prima", ha detto Ajayan. "Ciò consente di progettare materiali in 2D per creare architetture di dispositivi che potrebbero essere uniche nelle applicazioni elettroniche".
La giunzione ha uno spessore inferiore a 10 nanometri e si forma quando viene introdotto gas di tellurio mentre il metallo molibdeno forma una pellicola sul biossido di silicio in un forno di deposizione chimica da vapore. Questo processo crea isole di fasi semiconduttive di tellururo di molibdeno nel mare di fasi metalliche.
L'applicazione di tensione alla giunzione tramite la punta di un microscopio a forza di risposta piezoelettrica genera una risposta meccanica. Questo misura attentamente anche la forza della piezoelettricità creata all'incrocio.
"La differenza tra le strutture reticolari e la conduttività elettrica crea un'asimmetria al confine di fase che è essenzialmente indipendente dallo spessore", ha detto Puthirath. Ciò semplifica la preparazione di cristalli 2D per applicazioni come attuatori miniaturizzati.
"Un'interfaccia eterostruttura consente molta più libertà per le proprietà dei materiali ingegneristici rispetto a un singolo composto sfuso", ha affermato Zhu. "Sebbene l'asimmetria esista solo su scala nanometrica, può influenzare in modo significativo fenomeni elettrici o ottici macroscopici, che sono spesso dominati dall'interfaccia". + Esplora ulteriormente
