Un modèle de redistribution de charge montre comment la charge circule à travers les interfaces de phase dans un matériau piézoélectrique 2D de molybdène (bleu) et de tellure (jaune). Les zones rouges sont électro-déficientes, le vert est riche en électrons. La tension d'une pointe de microscope déforme le réseau et crée des dipôles à la frontière entre les atomes. Crédit :Groupe de recherche Ajayan
Il y a encore beaucoup de place au fond pour générer de la piézoélectricité. Les ingénieurs de l'Université Rice et leurs collègues montrent la voie.
Une nouvelle étude décrit la découverte de la piézoélectricité - le phénomène par lequel l'énergie mécanique se transforme en énergie électrique - à travers les limites de phase des matériaux bidimensionnels.
Les travaux menés par les scientifiques des matériaux de Rice Pulickel Ajayan et Hanyu Zhu et leurs collègues de la George R. Brown School of Engineering de Rice, de l'Université de Californie du Sud, de l'Université de Houston, du Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory et de l'Université d'État de Pennsylvanie apparaissent dans Matériaux avancés .
Cette découverte pourrait aider au développement de systèmes nanoélectromécaniques de plus en plus petits, des dispositifs qui pourraient être utilisés, par exemple, pour alimenter de minuscules actionneurs et des biocapteurs implantables, et des capteurs de température ou de pression ultrasensibles.
Les chercheurs montrent que le système atomiquement mince d'un domaine métallique entourant des îlots semi-conducteurs crée une réponse mécanique dans le réseau cristallin du matériau lorsqu'il est soumis à une tension appliquée.
La présence de piézoélectricité dans les matériaux 2D dépend souvent du nombre de couches, mais synthétiser les matériaux avec un nombre précis de couches a été un formidable défi, a déclaré le chercheur de Rice Anand Puthirath, co-auteur principal de l'article.
"Notre question était de savoir comment créer une structure piézoélectrique à plusieurs niveaux d'épaisseur - monocouche, bicouche, tricouche et même en vrac - à partir d'un matériau même non piézoélectrique", a déclaré Puthirath. "La réponse plausible était de créer une jonction métal-semi-conducteur unidimensionnelle dans une hétérostructure 2D, introduisant ainsi une asymétrie cristallographique et de charge à la jonction."
Une image d'un microscope à force de sonde Kelvin montre la distribution du potentiel électronique à travers les phases métalliques et semi-conductrices de MoTe2 . Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Rice a découvert la piézoélectricité à travers les limites de phase dans le matériau. Crédit :Groupe de recherche Ajayan
"La jonction latérale entre les phases est très intéressante, car elle fournit des limites atomiquement nettes dans des couches atomiquement minces, ce que notre groupe a lancé près d'une décennie auparavant", a déclaré Ajayan. "Cela permet de concevoir des matériaux en 2D pour créer des architectures de dispositifs qui pourraient être uniques dans les applications électroniques."
La jonction a une épaisseur inférieure à 10 nanomètres et se forme lorsque du gaz tellure est introduit tandis que le molybdène métallique forme un film sur du dioxyde de silicium dans un four de dépôt chimique en phase vapeur. Ce processus crée des îlots de phases semi-conductrices de tellurure de molybdène dans la mer de phases métalliques.
L'application d'une tension à la jonction via la pointe d'un microscope à force à réponse piézo génère une réponse mécanique. Cela mesure également avec soin la force de la piézoélectricité créée à la jonction.
"La différence entre les structures en treillis et la conductivité électrique crée une asymétrie à la limite de phase qui est essentiellement indépendante de l'épaisseur", a déclaré Puthirath. Cela simplifie la préparation des cristaux 2D pour des applications telles que les actionneurs miniaturisés.
"Une interface hétérostructure permet beaucoup plus de liberté pour les propriétés des matériaux d'ingénierie qu'un seul composé en vrac", a déclaré Zhu. "Bien que l'asymétrie n'existe qu'à l'échelle nanométrique, elle peut influencer de manière significative les phénomènes électriques ou optiques macroscopiques, qui sont souvent dominés par l'interface." Les flocons d'oxyde 2-D présentent des propriétés électriques surprenantes
