Написано AZoNano

Исследователи из Университета Райса обнаружили доказательства пьезоэлектричества в выращенных в лаборатории двумерных чешуйках диоксида молибдена.

Их исследование показало неожиданные электрические свойства, вызванные электронами, захваченными дефектами по всему материалу, толщина которого составляет менее 10 нанометров. Они характеризуют эти заряды как электреты, которые появляются в некоторых изоляционных материалах и генерируют внутренние и внешние электрические поля.

Пьезоэлектричество также является свойством материалов, которые реагируют на напряжение, генерируя электрическое напряжение на их поверхностях или генерируя механическое напряжение в ответ на приложенное электрическое поле. Он имеет много практических и научных применений, от преобразования покачивающейся гитарной струны в электрический сигнал до сканирующих микроскопов, подобных тем, которые использовались для создания нового открытия.

Исследователи из коричневой инженерной школы Райса обнаружили, что их микронные чешуйки демонстрируют пьезоэлектрический отклик, такой же сильный, как и у таких традиционных 2D пьезоэлектрических материалов, как дисульфид молибдена. Доклад Райсского ученого по материалам Пуликеля Аджаяна и его коллег опубликован в Advanced Materials .

Ключом к этому являются дефекты, которые делают кристаллическую решетку диоксида молибдена несовершенной. При напряжении диполи электронов, захваченных этими дефектами, похоже, выровнены, как и другие пьезоэлектрические материалы, создавая электрическое поле, приводящее к наблюдаемому эффекту.

«Сверхтонкие двумерные кристаллы продолжают показывать сюрпризы, как в нашем исследовании» Аджаян сказал. «Дефектостроение является ключом к проектированию свойств таких материалов, но часто является сложным и трудным для контроля».

«Ожидается, что диоксид молибдена не будет демонстрировать пьезоэлектричество», добавил исследователь докторской диссертации Райс Ананд Путират, соавтор статьи. «Но поскольку мы делаем материал настолько тонким, насколько это возможно, в него входят эффекты ограничения».

Он сказал, что эффект проявляется в чешуйках двуокиси молибдена, выращенных путем химического осаждения из паровой фазы. Остановка процесса роста в различных точках дала исследователям некоторый контроль над плотностью дефектов, если не их распределением. Ведущий автор и выпускница Rice Amey Apte добавила исследователю единую химическую технику осаждения из паровой фазы, основанную на предшественниках «помогающую в воспроизводимости и чистой природе растущего оксида молибдена на различных подложках».

Исследователи обнаружили, что пьезоэлектрический эффект стабилен при комнатной температуре в течение значительных временных периодов. Хлопья из двуокиси молибдена оставались стабильными при температуре до 100 градусов Цельсия (212 градусов по Фаренгейту). Но отжиг их в течение трех дней при 250 C (482 F) устранил дефекты и остановил пьезоэлектрический эффект.

Путират сказал, что материал имеет много потенциальных применений. «Его можно использовать как сборщик энергии, потому что, если вы напрягаете этот материал, он даст вам энергию в виде электричества», – сказал он . «Если вы даете ему напряжение, вы вызываете механическое расширение или сжатие. А если вы хотите что-то мобилизовать на наноуровне, вы можете просто подать напряжение, и это будет расширять и перемещать эту частицу так, как вы хотите».

Соавторами статьи являются Райс выпускница Сандхья Сусарла, в настоящее время докторская степень в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли; аспиранты Косар Мозаффари и Фарназ Сафи Самхабади, доцент Лонг Чанг и Дмитрий Литвинов, профессор электротехники и вычислительной техники, в Университете Хьюстона; Джордан Хахтел и Хуан Карлос Идробо из Национальной лаборатории Ок-Риджа; и Дэвид Мур и Николас Главин из исследовательской лаборатории ВВС на авиабазе Райт-Паттерсон, штат Огайо. В настоящее время Apte работает в корпорации Intel, Чендлер, штат Аризона.

Аджаян и Прадип Шарма, профессор кафедры М.Д. Андерсона и заведующая кафедрой машиностроения в Университете Хьюстона, являются соавторами. Аджаян – заведующий кафедрой материаловедения и наноинженерии Райс, профессор технических наук Бенджамин М. и Мэри Гринвуд Андерсон и профессор химии.

Научно-исследовательское управление ВВС и Управление науки Министерства энергетики поддержали исследование. Микроскопические исследования проводились в Центре нанофазных материаловедения Оук-Риджской национальной лаборатории.

Источник: https://www.rice.edu/