Un modelo de redistribución de carga muestra cómo fluye la carga a través de las interfaces de fase en un material piezoeléctrico 2D de molibdeno (azul) y telurio (amarillo). Las áreas rojas son electro-deficientes, el verde es rico en electrones. El voltaje de la punta de un microscopio distorsiona la red y crea dipolos en el límite entre los átomos. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan
Todavía hay mucho espacio en la parte inferior para generar piezoelectricidad. Los ingenieros de la Universidad de Rice y sus colegas están mostrando el camino.
Un nuevo estudio describe el descubrimiento de la piezoelectricidad, el fenómeno por el cual la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, a través de los límites de fase de los materiales bidimensionales.
El trabajo dirigido por los científicos de materiales de Rice Pulickel Ajayan y Hanyu Zhu y sus colegas de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, la Universidad del Sur de California, la Universidad de Houston, el Laboratorio de Investigación de la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson y la Universidad Estatal de Pensilvania aparece en Materiales avanzados .
El descubrimiento podría ayudar en el desarrollo de sistemas nanoelectromecánicos cada vez más pequeños, dispositivos que podrían usarse, por ejemplo, para impulsar pequeños actuadores y biosensores implantables, y sensores ultrasensibles de temperatura o presión.
Los investigadores muestran que el sistema atómicamente delgado de un dominio metálico que rodea islas semiconductoras crea una respuesta mecánica en la red cristalina del material cuando se somete a un voltaje aplicado.
La presencia de piezoelectricidad en materiales 2D a menudo depende de la cantidad de capas, pero sintetizar los materiales con una cantidad precisa de capas ha sido un desafío formidable, dijo el científico investigador de Rice, Anand Puthirath, coautor principal del artículo.
"Nuestra pregunta era cómo hacer una estructura que sea piezoeléctrica en múltiples niveles de espesor (monocapa, bicapa, tricapa e incluso a granel) incluso a partir de material no piezoeléctrico", dijo Puthirath. "La respuesta plausible era hacer una unión metal-semiconductor unidimensional en una heteroestructura 2D, introduciendo así asimetría cristalográfica y de carga en la unión".
Una imagen de un microscopio de fuerza de sonda Kelvin muestra la distribución de potencial electrónico a través de las fases metálica y semiconductora de MoTe2 . Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Rice descubrió piezoelectricidad a través de los límites de fase en el material. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan
"La unión lateral entre fases es muy interesante, ya que proporciona límites atómicamente nítidos en capas atómicamente delgadas, algo en lo que nuestro grupo fue pionero casi una década antes", dijo Ajayan. "Esto permite diseñar materiales en 2D para crear arquitecturas de dispositivos que podrían ser únicas en aplicaciones electrónicas".
La unión tiene menos de 10 nanómetros de espesor y se forma cuando se introduce gas telurio mientras que el molibdeno metálico forma una película sobre el dióxido de silicio en un horno de deposición de vapor químico. Este proceso crea islas de fases semiconductoras de telururo de molibdeno en el mar de fases metálicas.
La aplicación de voltaje a la unión a través de la punta de un microscopio de fuerza de respuesta piezoeléctrica genera una respuesta mecánica. Eso también mide cuidadosamente la fuerza de la piezoelectricidad creada en la unión.
"La diferencia entre las estructuras reticulares y la conductividad eléctrica crea asimetría en el límite de fase que es esencialmente independiente del espesor", dijo Puthirath. Eso simplifica la preparación de cristales 2D para aplicaciones como actuadores miniaturizados.
"Una interfaz de heteroestructura permite mucha más libertad para las propiedades de los materiales de ingeniería que un solo compuesto a granel", dijo Zhu. "Aunque la asimetría solo existe a nanoescala, puede influir significativamente en los fenómenos eléctricos u ópticos macroscópicos, que a menudo están dominados por la interfaz". Los copos de óxido 2-D detectan propiedades eléctricas sorprendentes
