Двумерные границы могут создавать электричество
Обнаружено, что атомарно тонкая система металлического домена, окружающего полупроводниковые островки, создает механический отклик в кристаллической решетке материала при воздействии приложенного напряжения. Открытие может помочь в разработке все более мелких наноэлектромеханических систем, устройств, которые можно использовать, например, для питания крошечных приводов и имплантируемых биосенсоров, а также сверхчувствительных датчиков температуры или давления.
Модель перераспределения заряда показывает, как заряд течет через границы раздела фаз в двумерном пьезоэлектрическом материале из молибдена (синий) и теллура (желтый). Красные области - электродефицитные, зеленые - электронно-богатые. Напряжение от иглы микроскопа искажает решетку и создает диполи на границе между атомами. Предоставлено: Ajayan Research Group.
В новом исследовании описывается открытие пьезоэлектричества — явления, при котором механическая энергия превращается в электрическую — через фазовые границы двумерных материалов.
Работа под руководством материаловедов Райса Пуликеля Аджаяна и Ханью Чжу и их коллег из Инженерной школы имени Джорджа Р. Брауна, Университета Южной Калифорнии, Университета Хьюстона, Исследовательской лаборатории базы ВВС Райс-Паттерсон и Университета штата Пенсильвания представлена в Advanced Materials.
Открытие может помочь в разработке все более мелких наноэлектромеханических систем, устройств, которые можно использовать, например, для питания крошечных приводов и имплантируемых биосенсоров, а также сверхчувствительных датчиков температуры или давления.
Исследователи показывают, что атомарно тонкая система металлического домена, окружающего полупроводниковые островки, создает механический отклик в кристаллической решетке материала при воздействии приложенного напряжения.
Наличие пьезоэлектричества в 2D-материалах часто зависит от количества слоев, но синтез материалов с точным количеством слоев был сложной задачей, сказал исследователь Райс Ананд Путират, соавтор статьи.
«Наш вопрос заключался в том, как сделать структуру, которая является пьезоэлектрической на нескольких уровнях толщины — однослойной, двухслойной, трехслойной и даже объемной — даже из непьезоэлектрического материала», — сказал Путират. «Правдоподобный ответ заключался в том, чтобы сделать одномерный переход металл-полупроводник в двумерной гетероструктуре, тем самым вводя кристаллографическую, а также зарядовую асимметрию в переходе».
Изображение, полученное с помощью силового микроскопа с зондом Кельвина, показывает распределение электронного потенциала в металлической и полупроводниковой фазах MoTe 2 . Группа исследователей во главе с Университетом Райса обнаружила в материале пьезоэлектричество через фазовые границы. Предоставлено: Ajayan Research Group.
«Боковое соединение между фазами очень интересно, поскольку оно обеспечивает атомарно четкие границы в атомарно тонких слоях, что наша группа впервые открыла почти десять лет назад», — сказал Аджаян. «Это позволяет проектировать материалы в 2D для создания архитектур устройств, которые могут быть уникальными для электронных приложений».
Соединение имеет толщину менее 10 нанометров и образуется при введении газообразного теллура, в то время как металлический молибден образует пленку на диоксиде кремния в печи для химического осаждения из газовой фазы. Этот процесс создает островки полупроводниковых фаз теллурида молибдена в море металлических фаз.
Подача напряжения на переход через наконечник силового микроскопа с пьезооткликом вызывает механический отклик. Это также тщательно измеряет силу пьезоэлектричества, создаваемого на стыке.
«Разница между структурой решетки и электропроводностью создает асимметрию на границе раздела фаз, которая практически не зависит от толщины», — сказал Путират. Это упрощает подготовку 2D-кристаллов для таких приложений, как миниатюрные приводы.
«Интерфейс гетероструктуры дает гораздо больше свободы для инженерных свойств материалов, чем объемное отдельное соединение», — сказал Чжу. «Хотя асимметрия существует только в наномасштабе, она может существенно влиять на макроскопические электрические или оптические явления, в которых часто доминирует интерфейс».
