Il s'agit d'un dessin animé montrant des charges polarisées positives et négatives extraites d'une seule couche d'atomes de bisulfure de molybdène (MoS2), comme il est étiré. Crédit :Lei Wang/Columbia Engineering
Des chercheurs de Columbia Engineering et du Georgia Institute of Technology rapportent aujourd'hui qu'ils ont fait la première observation expérimentale de la piézoélectricité et de l'effet piézotronique dans un matériau atomiquement mince, le bisulfure de molybdène (MoS2), résultant en un générateur électrique unique et des dispositifs de mécanosensation optiquement transparents, extrêmement léger, et très pliable et extensible.
Dans un article publié en ligne le 15 octobre, 2014, dans La nature , des groupes de recherche des deux institutions démontrent la production mécanique d'électricité à partir du matériau MoS2 bidimensionnel (2D). L'effet piézoélectrique dans ce matériau avait déjà été prédit théoriquement.
La piézoélectricité est un effet bien connu dans lequel l'étirement ou la compression d'un matériau le fait générer une tension électrique (ou l'inverse, dans laquelle une tension appliquée le fait se dilater ou se contracter). Mais pour les matériaux de quelques épaisseurs atomiques seulement, aucune observation expérimentale de piézoélectricité n'a été faite, jusqu'à maintenant. L'observation rapportée aujourd'hui fournit une nouvelle propriété pour les matériaux bidimensionnels tels que le bisulfure de molybdène, ouvrant le potentiel pour de nouveaux types d'appareils électroniques à commande mécanique.
"Ce matériau - juste une seule couche d'atomes - pourrait être fabriqué comme un appareil portable, peut-être intégré dans les vêtements, pour convertir l'énergie des mouvements de votre corps en électricité et alimenter des capteurs portables ou des appareils médicaux, ou peut-être fournir assez d'énergie pour charger votre téléphone portable dans votre poche, " dit James Hone, professeur de génie mécanique à Columbia et co-responsable de la recherche.
"La preuve de l'effet piézoélectrique et de l'effet piézotronique ajoute de nouvelles fonctionnalités à ces matériaux bidimensionnels, " dit Zhong Lin Wang, Professeur des Regents à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech et co-responsable de la recherche. « La communauté des matériaux est enthousiasmée par le bisulfure de molybdène, et la démonstration de l'effet piézoélectrique ajoute une nouvelle facette au matériau."
Hone et son groupe de recherche ont démontré en 2008 que le graphène, une forme 2D du carbone, est le matériau le plus résistant. Lui et Lei Wang, un stagiaire postdoctoral dans le groupe Hone, ont activement exploré les nouvelles propriétés des matériaux 2D comme le graphène et le MoS2 lorsqu'ils sont étirés et compressés.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de Columbia Engineering ont fait la première observation expérimentale de la piézoélectricité et de l'effet piézotronique dans un matériau atomiquement mince, bisulfure de molybdène (MoS2). Montré est un échantillon du matériel qui a été testé dans le cadre de la recherche. Le matériau pourrait être la base de générateurs électriques uniques et de dispositifs de mécanosensation optiquement transparents, extrêmement léger, et très pliable et extensible. Crédit :Rob Felt/Georgia Tech
Zhong Lin Wang et son groupe de recherche ont été les pionniers du domaine des nanogénérateurs piézoélectriques pour convertir l'énergie mécanique en électricité. Lui et son boursier postdoctoral Wenzhuo Wu développent également des dispositifs piézotroniques, qui utilisent des charges piézoélectriques pour contrôler le flux de courant à travers le matériau, tout comme le font les tensions de grille dans les transistors à trois bornes conventionnels.
Il existe deux clés pour utiliser le bisulfure de molybdène pour générer du courant :utiliser un nombre impair de couches et le fléchir dans la bonne direction. Le matériau est très polaire, mais, Zhong Lin Wang note, donc un nombre pair de couches annule l'effet piézoélectrique. La structure cristalline du matériau est également piézoélectrique dans certaines orientations cristallines seulement.
Pour le La nature étudier, L'équipe de Hone a placé de minces flocons de MoS2 sur des substrats en plastique flexible et a déterminé comment leurs réseaux cristallins étaient orientés à l'aide de techniques optiques. Ils ont ensuite modelé des électrodes métalliques sur les flocons. Dans les recherches effectuées à Georgia Tech, Le groupe de Wang a installé des électrodes de mesure sur des échantillons fournis par le groupe de Hone, puis mesuré les flux de courant alors que les échantillons étaient déformés mécaniquement. Ils ont surveillé la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique, et les sorties de tension et de courant observées.
Les chercheurs ont également noté que la tension de sortie inversait le signe lorsqu'ils changeaient la direction de la contrainte appliquée, et qu'il disparaissait dans les échantillons à nombre pair de couches atomiques, confirmant les prédictions théoriques publiées l'année dernière. La présence d'effet piézotronique dans la couche impaire de MoS2 a également été observée pour la première fois.
"Ce qui est vraiment intéressant, c'est que nous avons maintenant découvert qu'un matériau comme le MoS2, qui n'est pas piézoélectrique en vrac, peut devenir piézoélectrique lorsqu'il est aminci en une seule couche atomique, " dit Lei Wang.
Être piézoélectrique, un matériau doit rompre la symétrie centrale. Une seule couche atomique de MoS2 a une telle structure, et doit être piézoélectrique. Cependant, en vrac MoS2, les couches successives sont orientées dans des directions opposées, et génèrent des tensions positives et négatives qui s'annulent et donnent un effet piézoélectrique net nul.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de Columbia Engineering ont fait la première observation expérimentale de la piézoélectricité et de l'effet piézotronique dans un matériau atomiquement mince, bisulfure de molybdène (MoS2). Montré est un échantillon du matériel qui a été testé dans le cadre de la recherche. Le matériau pourrait être la base de générateurs électriques uniques et de dispositifs de mécanosensation optiquement transparents, extrêmement léger, et extrêmement pliable et extensible. Crédit :Rob Felt/Georgia Tech
« Cela ajoute un autre membre à la famille des matériaux piézoélectriques pour les dispositifs fonctionnels, " dit Wenzhuo Wu.
En réalité, MoS2 n'est qu'un élément d'un groupe de matériaux semi-conducteurs 2D connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, dont tous devraient avoir des propriétés piézoélectriques similaires. Ceux-ci font partie d'une famille encore plus large de matériaux 2D dont les matériaux piézoélectriques restent inexplorés. Surtout, comme l'ont montré Hone et ses collègues, Les matériaux 2D peuvent être étirés beaucoup plus loin que les matériaux conventionnels, particulièrement les piézoélectriques céramiques traditionnels, qui sont assez cassants.
La recherche pourrait ouvrir la porte au développement de nouvelles applications pour le matériau et ses propriétés uniques.
"C'est le premier travail expérimental dans ce domaine et c'est un exemple élégant de la façon dont le monde devient différent lorsque la taille du matériau se réduit à l'échelle d'un seul atome, " Hone ajoute. " Avec ce que nous apprenons, nous sommes impatients de créer des appareils utiles pour toutes sortes d'applications."
Finalement, Zhong Lin Wang note, la recherche pourrait conduire à des nanosystèmes complets d'épaisseur atomique qui s'auto-alimentent en récupérant l'énergie mécanique de l'environnement. Cette étude révèle également pour la première fois l'effet piézotronique dans les matériaux bidimensionnels, qui élargit considérablement l'application de matériaux en couches pour l'interfaçage homme-machine, robotique, MEMS, et l'électronique flexible active.
