Se ha abierto una puerta a interruptores de apagado / encendido de baja potencia en sistemas microelectromecánicos (MEMS) y dispositivos nanoelectrónicos. así como biosensores ultrasensibles, con la primera observación de piezoelectricidad en un semiconductor bidimensional independiente por un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab).

Xiang Zhang, director de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y una autoridad internacional en ingeniería a nanoescala, dirigió un estudio en el que se demostró la piezoelectricidad, la conversión de energía mecánica en electricidad o viceversa, en una sola capa independiente de disulfuro de molibdeno, un semiconductor 2D que es un sucesor potencial del silicio para dispositivos electrónicos más rápidos en el futuro.

"La piezoelectricidad es un efecto bien conocido en los cristales a granel, pero esta es la primera medición cuantitativa del efecto piezoeléctrico en una sola capa de moléculas que tiene dipolos intrínsecos en el plano, "Dice Zhang." El descubrimiento de la piezoelectricidad a nivel molecular no solo es fundamentalmente interesante, pero también podría conducir a piezomateriales sintonizables y dispositivos para generación y detección de fuerza extremadamente pequeña ".

Zhang, quien ocupa la Cátedra Ernest S. Kuh en la Universidad de California (UC) Berkeley y es miembro del Instituto Kavli Energy NanoSciences en Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo en Nanotecnología de la naturaleza describiendo esta investigación. El artículo se titula "Observación de piezoelectricidad en MoS2 monocapa independiente". Los coautores principales son Hanyu Zhu y Yuan Wang, ambos miembros del grupo de investigación UC Berkeley de Zhang. (Consulte a continuación para obtener una lista completa de coautores).

Desde su descubrimiento en 1880, el efecto piezoeléctrico ha encontrado una amplia aplicación en materiales a granel, incluyendo actuadores, sensores y recolectores de energía. Existe un interés creciente en el uso de materiales piezoeléctricos a nanoescala para proporcionar el menor consumo de energía posible para los interruptores de encendido / apagado en MEMS y otros tipos de sistemas informáticos electrónicos. Sin embargo, cuando el espesor del material se acerca a una sola capa molecular, la gran energía de la superficie puede hacer que las estructuras piezoeléctricas sean termodinámicamente inestables.

Durante los últimos dos años, Zhang y su grupo han estado llevando a cabo estudios detallados de disulfuro de molibdeno, un semiconductor 2D que presenta una alta conductancia eléctrica comparable a la del grafeno, pero, a diferencia del grafeno, tiene huecos de banda de energía natural, lo que significa que su conductancia se puede desconectar.

"Dicalcogenuros de metales de transición como el disulfuro de molibdeno pueden retener sus estructuras atómicas hasta el límite de una sola capa sin reconstrucción de celosía, incluso en condiciones ambientales, "Dice Zhang." Cálculos recientes predijeron la existencia de piezoelectricidad en estos cristales 2D debido a su simetría de inversión rota. Para probar esto, Combinamos un campo eléctrico aplicado lateralmente con nano indentación en un microscopio de fuerza atómica para medir la tensión de la membrana generada piezoeléctricamente ".

Zhang y su grupo utilizaron un cristal de una sola capa de disulfuro de molibdeno independiente para evitar cualquier efecto de sustrato, como el dopaje y la carga parasitaria, en sus medidas de la piezoelectricidad intrínseca. Registraron un coeficiente piezoeléctrico de 2.9 × 10-10 C / m, que es comparable a muchos materiales ampliamente utilizados como el óxido de zinc y el nitruro de aluminio.

"Conocer el coeficiente piezoeléctrico es importante para diseñar dispositivos atómicamente delgados y estimar su rendimiento, " dice Naturaleza el coautor principal del artículo, Zhu. "El coeficiente piezoeléctrico que encontramos en el disulfuro de molibdeno es suficiente para su uso en interruptores lógicos de baja potencia y sensores biológicos que son sensibles a los límites de masa molecular".

Zhang, Zhu y sus coautores también descubrieron que si se apilaban varias capas individuales de cristal de bisulfuro de molibdeno una encima de la otra, la piezoelectricidad solo estaba presente en el número impar de capas (1, 3, 5, etc.)

"Este descubrimiento es interesante desde una perspectiva física, ya que ningún otro material ha mostrado una sensibilidad similar al número de capas, "Dice Zhu." El fenómeno también podría resultar útil para aplicaciones en las que queremos dispositivos que consistan en la menor cantidad posible de tipos de materiales, donde algunas áreas del dispositivo deben ser no piezoeléctricas ".

Además de interruptores lógicos y sensores biológicos, La piezoelectricidad en los cristales de bisulfuro de molibdeno también podría encontrar uso en la nueva ruta potencial hacia la computación cuántica y el procesamiento de datos ultrarrápido llamado "valleytronics". En Valleytronics, la información se codifica en el giro y el impulso de un electrón que se mueve a través de una red cristalina como una onda con picos y valles de energía.

"Algunos tipos de dispositivos Valleytronic dependen de la orientación absoluta del cristal, y se puede emplear anisotropía piezoeléctrica para determinar esto, ' dice Naturaleza Wang, coautor principal del artículo. "También estamos investigando la posibilidad de utilizar la piezoelectricidad para controlar directamente las propiedades valleytronic como el dicroísmo circular en el disulfuro de molibdeno".