Fig. 1. Ilustración esquemática de la caracterización local de piezoelectricidad en plano y piezoelectricidad vertical. Piezoelectricidad en el plano (piezo) ( D 11 , D 22 ) de materiales ultrafinos es el comportamiento de par electromecánico plano, donde la tensión aplicada y el potencial piezoeléctrico producido se encuentran en el plano del plano de celosía expuesto. Piezoelectricidad vertical ( D 33 ) se centran en la interacción electromecánica ocurrida en el eje vertical, que es perpendicular a la superficie de los materiales. El actuador de deformación de alta precisión se puede implementar utilizando un posicionamiento preciso de la superficie del material mediante piezoelectricidad inversa vertical. Crédito:X. Wang, X. Él, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Deformación subatómica impulsada por piezoelectricidad vertical de películas ultrafinas de CdS. Sci. Adv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 Los Autores, algunos derechos reservados; licenciatario exclusivo de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia. Distribuido bajo una licencia de atribución no comercial 4.0 de Creative Commons (CC BY-NC). DOI:10.1126 / sciadv.1600209.
Piezoelectricidad ( alias el efecto piezoeléctrico) se produce dentro de ciertos materiales:cristales (especialmente cuarzo), algunas cerámicas, hueso, ADN y una serie de proteínas:cuando la aplicación de tensión mecánica o vibración genera carga eléctrica o voltaje de corriente alterna (CA), respectivamente. (En cambio, Los materiales piezoeléctricos pueden vibrar cuando se les aplica voltaje de CA). El efecto piezoeléctrico tiene una amplia gama de usos, incluida la producción y detección de sonido, generación de altas tensiones y frecuencias electrónicas, tecnologías de imágenes de resolución atómica (por ejemplo, exploración de túnel y microscopía de fuerza atómica), y actuadores para el posicionamiento de alta precisión de objetos a nanoescala, siendo este último crucial para la investigación fundamental y las aplicaciones industriales. Habiendo dicho eso, El posicionamiento a escala subatómica todavía presenta varios desafíos. Recientemente, sin embargo, investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, Academia china de ciencias, Suzhou, y la Universidad de Duke, Durham demostró piezoelectricidad vertical a escala atómica (de tres a cinco redes espaciales) utilizando películas ultrafinas de sulfuro de cadmio (CdS). Los investigadores determinaron un coeficiente piezoeléctrico vertical ( D 33 ) tres veces mayor que el CdS a granel usando en el lugar microscopía de fuerza Kelvin de barrido y microscopía de fuerza piezoeléctrica de seguimiento de resonancia ca simple y doble, llevándolos a concluir que sus hallazgos tienen una serie de roles críticos en el diseño de sensores y dispositivos microelectromecánicos de próxima generación.
El profesor Zheng Liu discutió el documento que él, El Dr. Ting Zhang y sus colegas publicaron en Avances de la ciencia , describiendo una serie de desafíos que enfrentaron comenzando con el uso de la deposición de vapor químico para sintetizar películas delgadas de sulfuro de cadmio (CdS) de 2 ~ 3 nm. "La piezoelectricidad vertical, o D 33 , es el parámetro clave en materiales piezoeléctricos para la fabricación de actuadores utilizados para posicionar objetos con extrema precisión, hasta la escala atómica en una amplia gama de equipos de vanguardia, como microscopía de fuerza atómica y microscopía de túnel de barrido, "Liu dice Phys.org . "Es más, Los materiales piezoeléctricos ultrafinos de alto rendimiento son cruciales para la construcción de dispositivos acoplados electromecánicamente flexibles y de resolución ultra alta ".
Antes de este estudio, Liu señala, solo unos pocos estudios informaron la síntesis de materiales piezoeléctricos delgados atómicos mediante un método químico húmedo, ejemplos de los cuales incluyen nanoplaquetas de CdS y seleniuro de cadmio (CdSe). "Es un desafío importante producir materiales piezoeléctricos de alta calidad y delgados como átomos, ", añade." En esta investigación, El principal desafío en la síntesis de películas de CdS piezoeléctricas ultrafinas a través de la deposición de vapor químico "(o CVD)" radica en la selección de precursores y cómo optimizar los parámetros de reacción, como la temperatura y el tiempo de crecimiento ".
Los científicos se enfrentaron entonces a demostrar D 33 piezoelectricidad vertical a escala atómica utilizando películas delgadas de sulfuro de cadmio ultrafinas. "Cuando el espesor de los materiales alcanza el nivel de nanoescala, "Liu explica, "Es muy difícil verificar el efecto piezoeléctrico y determinar sus valores debido al efecto de acoplamiento del sustrato, y las geometrías de la superficie también pueden afectar las mediciones en los límites atómicos". Por ejemplo, él ilustra, la rugosidad de la superficie de la muestra alcanza decenas de picómetros, que es la misma escala con la respuesta electromecánica vertical para materiales.
Fig. 3. Caracterización espectroscópica de película delgada de CdS. (A) Energía ( mi ) estructura de bandas en las proximidades del punto Γ de la zona de Brillouin, mostrando el proceso de emisión de fotones. (B y C) espectro PL de película delgada de CdS de los puntos i y ii marcados en (C) con signos más, mostrando una fuerte emisión de borde de banda (506 nm) de película ultrafina de CdS y emisión relacionada con defectos (595 nm). (C) Imagen óptica de película delgada de CdS con una micropartícula redondeada en su centro. a.u., unidades arbitrarias. (D y E) Mapeo PL a una emisión de 514 nm con una barra de escala diferente, demostrando alta uniformidad y homogeneidad de películas delgadas de CdS en el área exterior. (F) Mapeo PL en la emisión de 595 nm, lo que indica que la emisión relacionada con el defecto solo se produce en la micropartícula de CdS más gruesa. Crédito:X. Wang, X. Él, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Deformación subatómica impulsada por piezoelectricidad vertical de películas ultrafinas de CdS. Sci. Adv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 Los Autores, algunos derechos reservados; licenciatario exclusivo de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia. Distribuido bajo una licencia de atribución no comercial 4.0 de Creative Commons (CC BY-NC). DOI:10.1126 / sciadv.1600209.
Por último, y recuerda el desafío de demostrar D 33 piezoelectricidad vertical a escala atómica utilizando películas delgadas de CdS:los investigadores tuvieron que determinar el coeficiente piezoeléctrico vertical de la película de CdS con en el lugar microscopía de fuerza Kelvin de barrido (SKFM) y microscopía de fuerza piezoeléctrica de seguimiento de resonancia de CA simple y doble (DART-PFM). "La calidad del CdS piezoeléctrico ultradelgado es la clave para obtener un coeficiente piezoeléctrico vertical fiable". Notas de Liu. "Algunas herramientas de caracterización como Raman y las espectroscopias de fotoluminiscencia pueden ayudarnos a identificar la muestra de CdS y confirmar su alta calidad. Además, debido a las vibraciones geométricas de las muestras de CdS, la caracterización de microscopía de fuerza atómica debe llevarse a cabo cuidadosamente para asegurarse de que nuestras conclusiones sean sólidas ". Esto requirió que los investigadores examinaran muchas muestras de SKFM y DART-PFM para llegar a una conclusión sólida sobre el comportamiento piezoeléctrico vertical en películas ultrafinas de CdS.
Liu comenta que abordar estos desafíos requirió técnicas innovadoras. "Por primera vez, Sintetizamos con éxito películas de CdS delgadas atómicas de alta calidad utilizando CVD, and we demonstrated vertical piezoelectricity of these films at the atomic scale of 3~5 space lattices" (a space, or crystal, lattice being a periodically repeating two- or three-dimensional array of points or particles) "and observed the vertical piezoelectric domains. More importantly, " Liu continues, "our work shows an enhanced vertical piezoelectricity in CdS ultrathin films at a level three times larger than the CdS bulk counterpart, as well as higher than most of traditional piezoelectric materials." These results imply non-trivial piezoelectric behavior at atomic limits for a certain class of materials – which has not yet been well explored – and inspires the search for two-dimensional free-standing layered piezoelectric materials that are only one atom thick.
Liu points out that their findings shed light on the design of next-generation sensors, actuators and microelectromechanical devices, in that piezoelectric materials are the most important component for such devices. Específicamente, he says that their findings provide the opportunity for next-generation sensors and microelectromechanical devices in three ways:
Fig. 4. Noncontact SKFM and standard contact PFM investigation for CdS thin film. (A and B) Schematic illustration of SKFM (A) and PFM (B) measurements. (C) Band diagram of tip and sample when they are electrically separated (top graph) and electrically contacted (bottom graph). D , distance; VL, vacuum levels; q , electronic charge; V C , contact potential difference. (D) Optical image of CdS thin films. (E and F) Topography (E) and phase (F) images observed by SKFM mode for the single CdS thin film marked in (D). (G to I) Corresponding potential mappings with tip voltages of 3, 6, and 9 V, respectivamente. Insets show histograms of the surface potential distributions. The CdS ultrathin film has a higher positive voltage (~0.9 V) than the substrate, demonstrating that a large amount of charges are accumulated at a CdS thin film after contact PFM scanning. (J) Amplitude images observed by contact PFM technology with tip voltages from 1 to 6 V, showing remarkable inverse piezoelectricity. (K) Average amplitude variations versus applied voltages calculated from (J). Error bars indicate 1 SD. Barras de escala, 2 μm (E to J). The linearly fitted line shows that the measured piezoelectric coefficient D ef is ~16.4 pm·V −1 , whereas the vertical piezoelectric coefficient D 33 is ~32.8 pm·V −1 . Credit:X. Wang, X. He, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Subatomic deformation driven by vertical piezoelectricity from CdS ultrathin films. Sci. Adv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
Liu illustrates these points by listing potential examples of such devices – for example, atomically thin piezoelectric devices – and their applications. "Por ejemplo, using CdS ultrathin films, the most accurate probe or stage ever fabricated may be achievable, allowing researchers and engineers to manipulate atoms or position tips in atomic force, scanning electron and transmission electron microscopy. En otras palabras, CdS ultrathin films will extend our capability to see and manipulate our world in an extreme way." Of more importance, él añade, such ultrathin piezoelectric devices can be integrated into equipment like autocollimators and Michelson interferometers used in, por ejemplo, cold atom studies, the verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves.
The study also reports the en el lugar measurement of the ultrathin CdS film vertical piezoelectric coefficient D 33 , determining the film coefficient to be approximately three times larger than that of bulk CdS. "This value is pretty big for atomically thin materials, " Liu explains. "It means that we can get a large voltage change when small pressure or deformation is applied. This makes the material a great candidate constructing sensitive and ultrathin mechanical sensors."
Fig. 6. Simulation of vertical piezoelectricity and subatomic deformation actuator. (A) Three-dimensional image of potential drop on CdS film. (B) Scanning electron microscopy image of a conductive tip for PFM characterization. (C and D) Bottom and side views of stress distribution on CdS film. (E to G) Simulation for subatomic deformation actuator. Different potentials were applied to surface deformation curves (E), mappings (G), and vertical deformation (F) of CdS thin films. Credit:X. Wang, X. He, H. Zhu, L. Sun, W. Fu, X. Wang, L. C. Hoong, H. Wang, Q. Zeng, W. Zhao, J. Wei, Z. Jin, Z. Shen, J. Liu, T. Zhang, Z. Liu, Subatomic deformation driven by vertical piezoelectricity from CdS ultrathin films. Sci. Adv. 2, e1600209 (2016). Copyright © 2016 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC). DOI:10.1126/sciadv.1600209.
The researchers concluded that contact piezoresponse force microscopy (PFM) – which uses a conductive tip to apply a highly localized electric field that allows imaging and manipulation of piezoelectric ferroelectric materials – could significantly change the surface potential of a CdS ultrathin film by applying stress to its surface. "Típicamente, applying mechanical stress to a piezoelectric material will generate electric charge that accumulates at the surface of the material, which is how we identify the piezoelectric materials, " Liu tells Phys.org . "We therefore believe that this results from piezoelectric polarizations giving rise to a large piezoelectric potential, in turn leading to a remarkable spatial separation of electrons and holes." In this case, electrons generated by the piezoelectric effect will be trapped into the silicon dioxide (SiO 2) dielectric layers, while the holes will be trapped inside the crystal boundary of the CdS films.
The scientists state that their work may pave a way to the synthesis of ultrathin lattice scale nanomaterials using CVD method, which is a low-cost method for producing high quality samples. Además, Liu notes, the materials provided by their study will enable the high-integrated and multi-functional devices by simply coating or transferring the film to the device. "For actuator applications, our work will promote next generation actuators with extreme resolution for their potential use in characterization tools such as ultra-high resolution microscopy; for atom manipulation and fabrication; or potentially for the detection of ultra-low deformation in, por ejemplo, cold atom studies, verification of the gravitational inverse square law at short range, and even the detection of gravitational waves."
Avanzando Liu says, the scientists will determine the relationship between the vertical piezoelectric coefficient D 33 and the thickness of CdS at atomic scales. "Well also synthesize other piezoelectric, ferroelectric and layered piezoelectric/ferroelectric ultrathin materials, and explore their electromechanical properties." Based on this material and micro/nano-manufacture technology, the researchers hope to design and fabricate next-generation actuators for accurate positioning of minute objects, such as nanoparticles at subatomic scales, using their novel materials.
Además, the large vertical piezoelectric coefficient D 33 makes this material promising to construction of ultrathin and sensitive pressure sensors for detecting miniscule forces. If the low detection limit of sensor reaches to nanoscale levels, the device could monitor single biological cell migration.
"Our study will inspire material scientists to hunt for other non-trivial ultrathin or layered piezoelectric or ferroelectric materials, " Liu tells Phys.org . "Engineers can employ our CdS ultrathin films to design and fabricate novel microelectromechanical systems, " or MEMS, "and nanoelectromechanical systems, " or NEMS, "with high-integration and multi-functionalities, and may benefit when developing cutting-edge scientific instruments. Es más, "concluye, "novel and flexible consumer electronic devices can be developed based on our study."
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