Piézoélectricité ( alias l'effet piézoélectrique) se produit au sein de certains matériaux - cristaux (notamment quartz), quelques céramiques, OS, ADN, et un certain nombre de protéines - lorsque l'application de contraintes mécaniques ou de vibrations génère une charge électrique ou une tension alternative (AC), respectivement. (Inversement, les matériaux piézoélectriques peuvent vibrer lorsqu'une tension alternative leur est appliquée.) L'effet piézoélectrique a une large gamme d'utilisations, incluant la production et la détection du son, génération de hautes tensions et fréquences électroniques, technologies d'imagerie à résolution atomique (p. effet tunnel et microscopie à force atomique), et des actionneurs pour un positionnement très précis d'objets à l'échelle nanométrique – le dernier étant crucial pour la recherche fondamentale et les applications industrielles. Cela étant dit, le positionnement à l'échelle subatomique présente encore un certain nombre de défis. Récemment, cependant, chercheurs de l'Université technologique de Nanyang, Singapour, Académie chinoise des sciences, Suzhou, et l'Université Duke, Durham a démontré une piézoélectricité verticale à l'échelle atomique (trois à cinq réseaux spatiaux) en utilisant des films ultrafins de sulfure de cadmium (CdS). Les chercheurs ont déterminé un coefficient piézoélectrique vertical ( ré 33 ) trois fois celle du CdS en vrac utilisant in situ microscopie à force Kelvin à balayage et microscopie à force piézoélectrique à suivi de résonance simple et double ac, les conduisant à conclure que leurs découvertes ont un certain nombre de rôles critiques dans la conception de capteurs et de dispositifs microélectromécaniques de nouvelle génération.

Le professeur Zheng Liu a discuté de l'article qu'il, Le Dr Ting Zhang et leurs collègues ont publié dans Avancées scientifiques , décrivant une série de défis auxquels ils ont été confrontés en commençant par utiliser le dépôt chimique en phase vapeur pour synthétiser des films minces de sulfure de cadmium (CdS) de 2 à 3 nm. "La piézoélectricité verticale, ou ré 33 , est le paramètre clé dans les matériaux piézoélectriques pour la fabrication d'actionneurs utilisés pour positionner des objets avec une extrême précision - jusqu'à l'échelle atomique dans une large gamme d'équipements de pointe tels que la microscopie à force atomique et la microscopie à effet tunnel, " Liu raconte Phys.org . "De plus, les matériaux piézoélectriques ultrafins à hautes performances sont cruciaux pour la construction de dispositifs électromécaniquement couplés à ultra-haute résolution et flexibles. »

Avant cette étude, Liu fait remarquer, seules quelques études ont rapporté la synthèse de matériaux piézoélectriques minces atomiques par une méthode chimique humide, dont des exemples incluent les nanoplaquettes de CdS et de séléniure de cadmium (CdSe). « C'est un défi important de produire des matériaux piézoélectriques de haute qualité et de faible épaisseur, " ajoute-t-il. " Dans cette recherche, le principal défi de la synthèse de films CdS piézoélectriques ultrafins par dépôt chimique en phase vapeur" (ou CVD) "réside dans la sélection des précurseurs et comment optimiser les paramètres de réaction, comme la température et le temps de croissance."

Les scientifiques ont alors été confrontés à la démonstration ré 33 piézoélectricité verticale à l'échelle atomique en utilisant des films minces ultrafins de sulfure de cadmium. "Lorsque l'épaisseur des matériaux atteint le niveau nanométrique, " Liu explique, "Il est très difficile de vérifier l'effet piézoélectrique et de déterminer ses valeurs en raison de l'effet de couplage du substrat - et les géométries de surface peuvent également affecter les mesures aux limites atomiques." Par exemple, il illustre, la rugosité de surface de l'échantillon atteint des dizaines de picomètres, qui est la même échelle avec la réponse électromécanique verticale pour les matériaux.

Enfin – et rappelle le défi de démontrer ré 33 piézoélectricité verticale à l'échelle atomique en utilisant des films minces CdS - les chercheurs ont dû déterminer le coefficient piézoélectrique vertical du film CdS avec in situ la microscopie à force Kelvin à balayage (SKFM) et la microscopie à force piézoélectrique à suivi de résonance CA simple et double (DART-PFM). "La qualité du CdS piézoélectrique ultrafin est la clé pour obtenir un coefficient piézoélectrique vertical fiable." note Liu. « Certains outils de caractérisation comme les spectroscopies Raman et de photoluminescence peuvent nous aider à identifier l'échantillon de CdS et à confirmer sa haute qualité. De plus, en raison des vibrations géométriques des échantillons de CdS, la caractérisation par microscopie à force atomique doit être effectuée avec soin afin de s'assurer que nos conclusions sont solides. » Cela a obligé les chercheurs à examiner de nombreux échantillons SKFM et DART-PFM pour parvenir à une conclusion solide sur le comportement piézoélectrique vertical dans les films ultraminces CdS.

Liu commente que relever ces défis nécessitait des techniques innovantes. "Pour la première fois, nous avons réussi à synthétiser des films CdS minces atomiques de haute qualité à l'aide de CVD, and we demonstrated vertical piezoelectricity of these films at the atomic scale of 3~5 space lattices" (a space, 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. Spécifiquement, he says that their findings provide the opportunity for next-generation sensors and microelectromechanical devices in three ways:

• Flexibility :Ultrathin piezoelectric material materials are naturally like two-dimensional materials in being flexible, allowing them to be conformably used for more complicated electromechanical devices.
• Miniaturization :Ultrathin piezoelectric material materials are a perfect candidate for the fabrication of reduced size, highly integrated devices, especially for mobile phone and wearable devices.
• Inspiration :The study's results will inspire the development of other ultrathin piezoelectric materials, especially two-dimensional piezoelectric materials.

Liu illustrates these points by listing potential examples of such devices – for example, atomically thin piezoelectric devices – and their applications. "Par exemple, 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. En d'autres termes, CdS ultrathin films will extend our capability to see and manipulate our world in an extreme way." Of more importance, il ajoute, such ultrathin piezoelectric devices can be integrated into equipment like autocollimators and Michelson interferometers used in, par exemple, 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 in situ measurement of the ultrathin CdS film vertical piezoelectric coefficient ré 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."

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. "Typiquement, 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. En outre, 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, par exemple, cold atom studies, verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves."

Avancer, Liu says, the scientists will determine the relationship between the vertical piezoelectric coefficient ré 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.

En outre, the large vertical piezoelectric coefficient ré 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. Par ailleurs, " conclut-il, "novel and flexible consumer electronic devices can be developed based on our study."

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