Новое исследование описывает открытие пьезоэлектричества - явления, посредством которого механическая энергия превращается в электрическую - через границы раздела фаз двумерных материалов.

Работа, проведенная учеными-материаловедами Райса Пуликелем Аджаяном и Ханью Чжу и их коллегами из Инженерной школы Джорджа Р. Брауна Райса, Университета Южной Калифорнии, Хьюстонского университета, исследовательской лаборатории базы ВВС Райт-Паттерсон и Университета штата Пенсильвания, представлена в Передовые материалы.

Это открытие может помочь в разработке все более миниатюрных наноэлектромеханических систем, устройств, которые можно было бы использовать, например, для питания крошечных исполнительных механизмов 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 огромной проблемой, сказал ученый-исследователь Райс Ананд Путират, соавтор статьи.

"Наш вопрос состоял в том, как создать пьезоэлектрическую структуру на нескольких уровнях толщины - монослойную, двухслойную, трехслойную и даже объемную - даже из непьезоэлектрического материала", - сказал Путират. "Правдоподобный ответ состоял в том, чтобы создать одномерный переход металл-полупроводник в двумерной гетероструктуре, таким образом вводя кристаллографическую асимметрию, а также асимметрию заряда на переходе".

"Боковое соединение между фазами очень интересно, поскольку оно обеспечивает атомарно четкие границы в атомарно тонких слоях, что наша группа впервые сделала почти десять лет назад", - сказал Аджаян. "Это позволяет проектировать материалы в 2D для создания архитектур устройств, которые могут быть уникальными в электронных приложениях".

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 химического осаждения из паровой фазы. Этот процесс создает островки полупроводящих фаз теллурида молибдена в море металлических фаз.

Подача напряжения на соединение через наконечник пьезоотражающего силового микроскопа генерирует механический отклик. Это также тщательно измеряет силу пьезоэлектричества, создаваемого на стыке.

"Разница между структурами решетки и электропроводностью создает асимметрию на границе раздела фаз, которая по существу не зависит от толщины", - сказал Путират. Это упрощает подготовку 2D-кристаллов для таких применений, как миниатюрные приводы.

"Интерфейс гетероструктуры предоставляет гораздо больше свободы для определения свойств инженерных материалов, чем объемное одиночное соединение", - сказал Чжу. "Хотя асимметрия существует только на наноуровне, она может существенно влиять на макроскопические электрические или оптические явления, в которых часто доминирует интерфейс".

Ученый-исследователь Сян Чжан и аспирант Руи Сюй из Университета Райса, а также постдокторант Аравинд Кришнамурти из Университета Южной Калифорнии являются соавторами статьи. Соавторами являются аспирант Джиавей Лай, профессор-исследователь Роберт Вайтай и преподаватель Венкатараман Сваминатан из Райса; Прия Вашишта, профессор химической инженерии и материаловедения, биомедицинской инженерии, компьютерных наук, физики и астрономии в Университете Южной Калифорнии; аспирант Фарназ Сафи Самгабади и Дмитрий Литвинов, Джон и Ребекка Мурс, профессор Хьюстонского университета; Дэвид Мур и Николас Главин из Исследовательской лаборатории ВВС, база ВВС Райт-Паттерсон; и выпускники Райс Тяньи Чжан и Фу Чжан, аспирант Дэвид Санчес и Маурисио Терранес, профессор физики имени Верна М. Вилламана в Университете Пенсильвании.

Чжу - доцент кафедры материаловедения и наноинженерии. Аджаян - профессор инженерного дела Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон, а также профессор материаловедения и наноинженерии, химии, химической и биомолекулярной инженерии. Он также является заведующим кафедрой материаловедения и наноинженерии Райса.

Управление научных исследований ВВС (FA9550-18-1-0072 , FA9550-19RYCOR050) и Национальный научный фонд (2005096) поддержали исследование.