19.08.2022 - Rice University

2D-Grenzflächen könnten Strom erzeugen

Erzeugung von dickenunabhängiger Piezoelektrizität in atomdicken Materialien

Am Boden ist noch viel Platz, um Piezoelektrizität zu erzeugen. Ingenieure der Rice University und ihre Kollegen zeigen den Weg.

Eine neue Studie beschreibt die Entdeckung der Piezoelektrizität - des Phänomens, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird - an den Phasengrenzen von zweidimensionalen Materialien.

Die von den Rice-Materialwissenschaftlern Pulickel Ajayan und Hanyu Zhu und ihren Kollegen von der George R. Brown School of Engineering, der University of Southern California, der University of Houston, dem Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory und der Pennsylvania State University geleitete Arbeit erscheint in der Zeitschrift Advanced Materials.

Die Entdeckung könnte zur Entwicklung immer kleinerer nanoelektromechanischer Systeme beitragen, die z. B. als Antrieb für winzige Aktuatoren und implantierbare Biosensoren sowie als ultraempfindliche Temperatur- oder Drucksensoren verwendet werden könnten.

Die Forscher zeigen, dass das atomar dünne System aus einer metallischen Domäne, die halbleitende Inseln umgibt, eine mechanische Reaktion im Kristallgitter des Materials hervorruft, wenn es einer angelegten Spannung ausgesetzt wird.

Das Vorhandensein von Piezoelektrizität in 2D-Materialien hängt oft von der Anzahl der Schichten ab, aber die Synthese der Materialien mit einer präzisen Anzahl von Schichten war eine große Herausforderung, sagte der Rice-Forscher Anand Puthirath, Mitautor der Studie.

"Unsere Frage war, wie man aus einem nicht-piezoelektrischen Material eine piezoelektrische Struktur mit verschiedenen Schichtdicken - Monolayer, Bilayer, Trilayer und sogar Bulk - herstellen kann", so Puthirath. "Die plausible Antwort war, einen eindimensionalen Metall-Halbleiter-Übergang in einer 2D-Heterostruktur zu schaffen und damit eine kristallografische Asymmetrie sowie eine Ladungsasymmetrie am Übergang einzuführen.

"Der laterale Übergang zwischen den Phasen ist sehr interessant, da er atomar scharfe Grenzen in atomar dünnen Schichten schafft, etwas, das unsere Gruppe fast ein Jahrzehnt zuvor entwickelt hat", so Ajayan. "Dies ermöglicht es, Materialien in 2D zu konstruieren, um Gerätearchitekturen zu schaffen, die in elektronischen Anwendungen einzigartig sein könnten."

Der Übergang ist weniger als 10 Nanometer dick und bildet sich, wenn Tellurgas eingeleitet wird, während Molybdänmetall in einem Ofen für die chemische Gasphasenabscheidung einen Film auf Siliziumdioxid bildet. Bei diesem Prozess entstehen Inseln von halbleitenden Molybdän-Tellurid-Phasen in einem Meer von Metallphasen.

Legt man über die Spitze eines Piezokraftmikroskops eine Spannung an den Übergang an, wird eine mechanische Reaktion erzeugt. Auf diese Weise wird auch die Stärke der am Übergang erzeugten Piezoelektrizität sorgfältig gemessen.

"Der Unterschied zwischen den Gitterstrukturen und der elektrischen Leitfähigkeit erzeugt eine Asymmetrie an der Phasengrenze, die im Wesentlichen unabhängig von der Dicke ist", so Puthirath. Das vereinfacht die Herstellung von 2D-Kristallen für Anwendungen wie miniaturisierte Aktoren.

"Eine Heterostruktur-Grenzfläche lässt viel mehr Freiheiten bei der Entwicklung von Materialeigenschaften als eine einkomponentige Verbindung", so Zhu. "Obwohl die Asymmetrie nur auf der Nanoskala existiert, kann sie makroskopische elektrische oder optische Phänomene, die oft von der Grenzfläche dominiert werden, erheblich beeinflussen.

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