La figure montre (à gauche) les éléments tenseurs de contrainte piézoélectriques en feuille calculés pour 2 940 matériaux différents sous leur forme monocouche. Les éléments tenseurs de contrainte piézoélectriques maximum de feuille, eij , sont tracés sur une échelle logarithmique en unités de 10 -10 C/m (axe radial), selon la classification du groupe spatial (structure cristalline) des matériaux (axe angulaire). (À droite) la structure atomique de NbOX2 (X =Cl, Br, I) montre une non-symétrie dans la direction x. Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-29495-y
Les matériaux piézoélectriques peuvent convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa. Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour la recherche de piézoélectriques en couches bidimensionnelles (2D). Ces piézoélectriques van der Waals en couches sont particulièrement utiles pour les applications de niche telles que les actionneurs avec une précision à l'échelle atomique et les capteurs portables. De plus, les piézoélectriques 2D peuvent fonctionner comme des générateurs d'énergie à l'échelle nanométrique pour les dispositifs à l'échelle nanométrique.
La découverte des piézoélectriques 2D s'est surtout faite au coup par coup. Une recherche systématique dans une base de données de matériaux 2D est nécessaire pour découvrir les matériaux 2D les plus adaptés à une utilisation en tant que piézoélectriques. L'équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Quek Su Ying du Département de physique de l'Université nationale de Singapour a effectué une telle recherche systématique dans une base de données de 2 940 matériaux de van der Waals en couches à l'aide de calculs de principes premiers à haut débit. Sur les 2 940 matériaux, l'équipe a identifié 109 matériaux qui présentent des effets piézoélectriques sous forme monocouche. Parmi ces matériaux, environ 10 d'entre eux ont des coefficients piézoélectriques exceptionnellement élevés, les plus élevés étant ceux du NbOI2 . Les matériaux à coefficients piézoélectriques élevés donnent généralement de meilleures performances piézoélectriques.
L'excellente performance piézoélectrique du NbOI2 se reflète dans son facteur de couplage électromécanique prédit, qui a la valeur maximale possible de l'unité dans ce matériau. L'équipe de recherche a isolé le NbOI à quelques couches2 cristaux et effectué des études au vibromètre à balayage laser sur du NbOI en vrac et à quelques couches2 cristaux pour mesurer leur réponse piézoélectrique. Ils ont découvert que NbOI2 a affiché une réponse piézoélectrique beaucoup plus grande que les matériaux de référence dans les échantillons en vrac et à quelques couches.
NbOI2 appartient à la famille des oxydihalogénures de niobium (NbOX2 :X =Cl, Br, I) qui ont de grands coefficients piézoélectriques. Les chercheurs ont fait une étude plus détaillée de cette famille de matériaux et ont découvert que NbOX2 a une polarisation ferroélectrique intrinsèque car sa structure cristalline n'est pas symétrique dans la direction x). Fait intéressant, les coefficients piézoélectriques sont les plus élevés pour NbOI2 , tandis que la polarisation ferroélectrique est la plus grande pour NbOCl2 .
Le professeur Quek a déclaré :"La classe de NbOX2 Les matériaux ont un grand potentiel d'applications. Nos travaux ont montré qu'un de ses membres, NbOI2 , avaient les meilleures performances piézoélectriques parmi les 2 940 matériaux de notre étude. De plus, nous avons constaté que ses performances piézoélectriques sont indépendantes de l'épaisseur. Ceci est différent d'autres piézoélectriques 2D tels que le disulfure de molybdène, où la piézoélectricité n'est pas présente lorsqu'il y a un nombre pair de couches. L'indépendance de l'épaisseur de la piézoélectricité dans NbOX2 est utile pour les applications pratiques où le contrôle de l'épaisseur du matériau peut être particulièrement difficile." + Explorer davantage
