Une porte a été ouverte aux interrupteurs marche/arrêt à faible puissance dans les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) et les dispositifs nanoélectroniques, ainsi que des bio-capteurs ultrasensibles, avec la première observation de piézoélectricité dans un semi-conducteur bidimensionnel autonome par une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE.

Xiang Zhang, directeur de la division Sciences des matériaux du Berkeley Lab et autorité internationale en ingénierie à l'échelle nanométrique, a dirigé une étude dans laquelle la piézoélectricité - la conversion de l'énergie mécanique en électricité ou vice versa - a été démontrée dans une seule couche autonome de bisulfure de molybdène, un semi-conducteur 2D qui est un successeur potentiel du silicium pour des appareils électroniques plus rapides à l'avenir.

"La piézoélectricité est un effet bien connu dans les cristaux en vrac, mais c'est la première mesure quantitative de l'effet piézoélectrique dans une seule couche de molécules qui a des dipôles intrinsèques dans le plan, " dit Zhang. " La découverte de la piézoélectricité au niveau moléculaire est non seulement fondamentalement intéressante, mais pourrait également conduire à des matériaux piézo-électriques accordables et à des dispositifs de génération et de détection de force extrêmement faibles. »

Zhang, qui détient la chaire Ernest S. Kuh Endowed à l'Université de Californie (UC) Berkeley et est membre du Kavli Energy NanoSciences Institute à Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article dans Nature Nanotechnologie décrivant cette recherche. L'article s'intitule « Observation de la piézoélectricité dans une monocouche autonome MoS2 ». Les co-auteurs principaux sont Hanyu Zhu et Yuan Wang, tous deux membres du groupe de recherche de Zhang UC Berkeley. (Voir ci-dessous pour une liste complète des co-auteurs.)

Depuis sa découverte en 1880, l'effet piézoélectrique a trouvé une large application dans les matériaux en vrac, y compris les actionneurs, capteurs et récupérateurs d'énergie. Il existe un intérêt croissant pour l'utilisation de matériaux piézoélectriques à l'échelle nanométrique pour fournir la consommation d'énergie la plus faible possible pour les interrupteurs marche/arrêt dans les MEMS et d'autres types de systèmes informatiques électroniques. Cependant, lorsque l'épaisseur du matériau s'approche d'une seule couche moléculaire, la grande énergie de surface peut rendre les structures piézoélectriques thermodynamiquement instables.

Au cours des deux dernières années, Zhang et son groupe ont mené des études détaillées sur le bisulfure de molybdène, un semi-conducteur 2D qui présente une conductance électrique élevée comparable à celle du graphène, mais, contrairement au graphène, a des bandes interdites d'énergie naturelle, ce qui signifie que sa conductance peut être désactivée.

"Les dichalcogénures de métaux de transition tels que le bisulfure de molybdène peuvent conserver leurs structures atomiques jusqu'à la limite d'une seule couche sans reconstruction de réseau, même dans des conditions ambiantes, " dit Zhang. " Des calculs récents ont prédit l'existence de piézoélectricité dans ces cristaux 2D en raison de leur symétrie d'inversion brisée. Pour tester cela, nous avons combiné un champ électrique appliqué latéralement avec une nano-indentation dans un microscope à force atomique pour la mesure de la contrainte membranaire générée piézoélectriquement. »

Zhang et son groupe ont utilisé un cristal monocouche de disulfure de molybdène autonome pour éviter tout effet de substrat, comme le dopage et la charge parasitaire, dans leurs mesures de la piézoélectricité intrinsèque. Ils ont enregistré un coefficient piézoélectrique de 2,9×10-10 C/m, ce qui est comparable à de nombreux matériaux largement utilisés tels que l'oxyde de zinc et le nitrure d'aluminium.

"Connaître le coefficient piézoélectrique est important pour concevoir des dispositifs atomiquement minces et estimer leurs performances, " dit La nature papier co-auteur principal Zhu. "Le coefficient piézoélectrique que nous avons trouvé dans le bisulfure de molybdène est suffisant pour une utilisation dans des commutateurs logiques à faible puissance et des capteurs biologiques sensibles aux limites de masse moléculaire."

Zhang, Zhu et leurs co-auteurs ont également découvert que si plusieurs couches simples de cristal de bisulfure de molybdène étaient empilées les unes sur les autres, la piézoélectricité n'était présente que dans le nombre impair de couches (1, 3, 5, etc.)

"Cette découverte est intéressante d'un point de vue physique car aucun autre matériau n'a montré une sensibilité similaire au nombre de couches, " dit Zhu. " Le phénomène pourrait également s'avérer utile pour les applications dans lesquelles nous voulons des appareils composés d'aussi peu de types de matériaux que possible, où certaines zones de l'appareil doivent être non piézoélectriques."

En plus des interrupteurs logiques et des capteurs biologiques, la piézoélectricité dans les cristaux de bisulfure de molybdène pourrait également être utilisée dans la nouvelle voie potentielle vers l'informatique quantique et le traitement de données ultrarapide appelé "valleytronics". Dans valleytronics, l'information est codée dans le spin et la quantité de mouvement d'un électron se déplaçant à travers un réseau cristallin sous la forme d'une onde avec des pics et des vallées d'énergie.

"Certains types de dispositifs valleytronic dépendent de l'orientation cristalline absolue, et l'anisotropie piézoélectrique peut être utilisée pour déterminer cela, ' dit La nature papier co-auteur principal Wang. "Nous étudions également la possibilité d'utiliser la piézoélectricité pour contrôler directement les propriétés valleytronic telles que le dichroïsme circulaire dans le bisulfure de molybdène."