La figura muestra (izquierda) los elementos tensores de tensión piezoeléctricos de hoja calculados para 2940 materiales diferentes en su forma de monocapa. Los elementos tensores de tensión piezoeléctricos de hoja máxima, eij , se trazan en una escala logarítmica en unidades de 10 -10 C/m (eje radial), según la clasificación del grupo espacial (estructura cristalina) para los materiales (eje angular). (Derecha) la estructura atómica de NbOX2 (X =Cl, Br, I) muestra una no simetría en la dirección x. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-29495-y
Los materiales piezoeléctricos pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. En los últimos años, ha habido un creciente interés en la búsqueda de piezoeléctricos en capas bidimensionales (2D). Tales piezoeléctricos de van der Waals en capas son particularmente útiles para aplicaciones de nicho, como actuadores con precisión a escala atómica y sensores portátiles. Además, los piezoeléctricos 2D pueden funcionar como generadores de energía a nanoescala para dispositivos a nanoescala.
El descubrimiento de piezoeléctricos 2D ha sido en su mayoría sobre una base ad hoc. Se requiere una búsqueda sistemática a través de una base de datos de materiales 2D para descubrir materiales 2D que sean más adecuados para su uso como piezoeléctricos. El equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Quek Su Ying del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Singapur, realizó una búsqueda tan sistemática a través de una base de datos de 2.940 materiales de van der Waals en capas utilizando cálculos de primeros principios de alto rendimiento. De los 2.940 materiales, el equipo identificó 109 materiales que exhiben efectos piezoeléctricos en forma de una sola capa. Entre estos materiales, se encontró que alrededor de 10 de ellos tienen coeficientes piezoeléctricos excepcionalmente grandes, siendo los más altos los de NbOI2 . Los materiales con altos coeficientes piezoeléctricos generalmente dan un mejor rendimiento piezoeléctrico.
El excelente rendimiento piezoeléctrico de NbOI2 se refleja en su factor de acoplamiento electromecánico previsto, que tiene el máximo valor posible de la unidad en este material. El equipo de investigación aisló NbOI2 de pocas capas cristales y realizó estudios de vibrómetro de barrido láser en NbOI2 a granel y de pocas capas cristales para medir su respuesta piezoeléctrica. Descubrieron que NbOI2 mostró una respuesta piezoeléctrica que es mucho más grande que los materiales de referencia tanto en las muestras a granel como en las de pocas capas.
NbOI2 pertenece a una familia de oxidihaluros de niobio (NbOX2 :X =Cl, Br, I) que tienen grandes coeficientes piezoeléctricos. Los investigadores realizaron un estudio más detallado de esta familia de materiales y descubrieron que NbOX2 tiene una polarización ferroeléctrica intrínseca ya que su estructura cristalina no es simétrica en la dirección x). Curiosamente, los coeficientes piezoeléctricos son los más grandes para NbOI2 , mientras que la polarización ferroeléctrica es mayor para NbOCl2 .
El profesor Quek dijo:"La clase de NbOX2 materiales tiene un gran potencial para las aplicaciones. Nuestro trabajo mostró que uno de sus miembros, NbOI2 , tuvo el mejor rendimiento piezoeléctrico entre los 2.940 materiales de nuestro estudio. Además, encontramos que su rendimiento piezoeléctrico es independiente del espesor. Esto es diferente a otros piezoeléctricos 2D como el disulfuro de molibdeno, donde la piezoelectricidad no está presente cuando hay un número par de capas. La independencia del espesor de la piezoelectricidad en NbOX2 es útil para aplicaciones prácticas en las que el control del grosor del material puede resultar especialmente complicado". + Explore más
