Investigadores de Columbia Engineering y el Instituto de Tecnología de Georgia informan hoy que han realizado la primera observación experimental de piezoelectricidad y el efecto piezotrónico en un material atómicamente delgado. disulfuro de molibdeno (MoS2), dando como resultado un generador eléctrico único y dispositivos de mecanosensación que son ópticamente transparentes, extremadamente ligero, y muy flexible y estirable.

En un artículo publicado en línea el 15 de octubre, 2014, en Naturaleza , Los grupos de investigación de las dos instituciones demuestran la generación mecánica de electricidad a partir del material MoS2 bidimensional (2D). El efecto piezoeléctrico en este material había sido previamente predicho teóricamente.

La piezoelectricidad es un efecto bien conocido en el que estirar o comprimir un material hace que genere un voltaje eléctrico (o al revés, en el que un voltaje aplicado hace que se expanda o contraiga). Pero para materiales de solo unos pocos espesores atómicos, no se ha realizado ninguna observación experimental de piezoelectricidad, hasta ahora. La observación informada hoy proporciona una nueva propiedad para materiales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno, abriendo el potencial para nuevos tipos de dispositivos electrónicos controlados mecánicamente.

"Este material, solo una capa de átomos, podría fabricarse como un dispositivo portátil, quizás integrado en la ropa, para convertir la energía del movimiento de su cuerpo en electricidad y alimentar sensores portátiles o dispositivos médicos, o quizás suministrar suficiente energía para cargar su teléfono celular en su bolsillo, "dice James Hone, profesor de ingeniería mecánica en Columbia y codirector de la investigación.

"La prueba del efecto piezoeléctrico y el efecto piezotrónico añade nuevas funcionalidades a estos materiales bidimensionales, "dice Zhong Lin Wang, Profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech y co-líder de la investigación. "La comunidad de materiales está entusiasmada con el disulfuro de molibdeno, y demostrar el efecto piezoeléctrico añade una nueva faceta al material ".

Hone y su grupo de investigación demostraron en 2008 que el grafeno, una forma 2D de carbono, es el material más resistente. Él y Lei Wang, becario postdoctoral en el grupo de Hone, han estado explorando activamente las nuevas propiedades de los materiales 2D como el grafeno y el MoS2 a medida que se estiran y comprimen.

Zhong Lin Wang y su grupo de investigación fueron pioneros en el campo de los nanogeneradores piezoeléctricos para convertir energía mecánica en electricidad. Él y el becario postdoctoral Wenzhuo Wu también están desarrollando dispositivos piezotrónicos, que utilizan cargas piezoeléctricas para controlar el flujo de corriente a través del material tal como lo hacen los voltajes de puerta en los transistores convencionales de tres terminales.

Hay dos claves para usar disulfuro de molibdeno para generar corriente:usar un número impar de capas y flexionarlo en la dirección correcta. El material es muy polar, pero, Zhong Lin Wang señala:por lo que un número par de capas anula el efecto piezoeléctrico. La estructura cristalina del material también es piezoeléctrica solo en determinadas orientaciones cristalinas.

Para el Naturaleza estudio, El equipo de Hone colocó escamas delgadas de MoS2 en sustratos plásticos flexibles y determinó cómo se orientaban sus redes cristalinas utilizando técnicas ópticas. Luego modelaron electrodos de metal en las escamas. En una investigación realizada en Georgia Tech, El grupo de Wang instaló electrodos de medición en muestras proporcionadas por el grupo de Hone, luego se midieron los flujos de corriente a medida que las muestras se deformaban mecánicamente. Supervisaron la conversión de energía mecánica a eléctrica, y salidas de tensión y corriente observadas.

Los investigadores también notaron que el voltaje de salida invirtió el signo cuando cambiaron la dirección de la tensión aplicada, y que desapareció en muestras con un número par de capas atómicas, confirmando las predicciones teóricas publicadas el año pasado. También se observó por primera vez la presencia de efecto piezotrónico en la capa impar de MoS2.

"Lo realmente interesante es que ahora hemos descubierto que un material como MoS2, que no es piezoeléctrico a granel, puede volverse piezoeléctrico cuando se reduce a una sola capa atómica, "dice Lei Wang.

Para ser piezoeléctrico, un material debe romper la simetría central. Una sola capa atómica de MoS2 tiene tal estructura, y debe ser piezoeléctrico. Sin embargo, a granel MoS2, las capas sucesivas están orientadas en direcciones opuestas, y generan voltajes positivos y negativos que se cancelan entre sí y dan un efecto piezoeléctrico neto cero.

"Esto agrega otro miembro a la familia de materiales piezoeléctricos para dispositivos funcionales, "dice Wenzhuo Wu.

De hecho, MoS2 es solo uno de un grupo de materiales semiconductores 2D conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, todos los cuales se predice que tienen propiedades piezoeléctricas similares. Estos son parte de una familia aún mayor de materiales 2D cuyos materiales piezoeléctricos permanecen inexplorados. En tono rimbombante, como han demostrado Hone y sus colegas, Los materiales 2D se pueden estirar mucho más lejos que los materiales convencionales, Piezoeléctricas cerámicas particularmente tradicionales, que son bastante frágiles.

La investigación podría abrir la puerta al desarrollo de nuevas aplicaciones para el material y sus propiedades únicas.

"Este es el primer trabajo experimental en esta área y es un elegante ejemplo de cómo el mundo se vuelve diferente cuando el tamaño del material se reduce a la escala de un solo átomo, "Agrega Hone." Con lo que estamos aprendiendo, estamos ansiosos por construir dispositivos útiles para todo tipo de aplicaciones ".

Por último, Zhong Lin Wang señala:la investigación podría conducir a nanosistemas completos de espesor atómico que se autoalimentan mediante la recolección de energía mecánica del medio ambiente. Este estudio también revela el efecto piezotrónico en materiales bidimensionales por primera vez, lo que amplía enormemente la aplicación de materiales en capas para la interfaz hombre-máquina, robótica, MEMS, y electrónica flexible activa.