2D-Grenzen könnten Strom erzeugen

Unten ist noch viel Platz, um Piezoelektrizität zu erzeugen. Ingenieure der Rice University und ihre Kollegen weisen den Weg.

Eine neue Studie beschreibt die Entdeckung der Piezoelektrizität – das Phänomen, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird – über Phasengrenzen zweidimensionaler Materialien hinweg.

Die Arbeit unter der Leitung der Rice-Materialwissenschaftler Pulickel Ajayan und Hanyu Zhu und ihrer Kollegen an der George R. Brown School of Engineering von Rice, der University of Southern California, der University of Houston, dem Wright-Patterson Air Force Base Research Laboratory und der Pennsylvania State University erscheint in Fortgeschrittene Werkstoffe.

Die Entdeckung könnte bei der Entwicklung immer kleinerer nanoelektromechanischer Systeme helfen, von Geräten, die beispielsweise zur Stromversorgung winziger Aktuatoren und implantierbarer Biosensoren sowie ultraempfindlicher Temperatur- oder Drucksensoren verwendet werden könnten.

Die Forscher zeigen, dass das atomar dünne System einer metallischen Domäne, die halbleitende Inseln umgibt, eine mechanische Reaktion im Kristallgitter des Materials erzeugt, wenn es einer angelegten Spannung ausgesetzt wird.

Das Vorhandensein von Piezoelektrizität in 2D-Materialien hängt oft von der Anzahl der Schichten ab, aber die Synthese der Materialien mit einer genauen Anzahl von Schichten war eine gewaltige Herausforderung, sagte Rice-Forscher Anand Puthirath, Co-Hauptautor der Veröffentlichung.

„Unsere Frage war, wie man eine Struktur herstellt, die auf mehreren Dickenebenen piezoelektrisch ist – Monoschicht, Doppelschicht, Dreischicht und sogar Masse – sogar aus nicht-piezoelektrischem Material“, sagte Puthirath. „Die plausible Antwort bestand darin, einen eindimensionalen Metall-Halbleiter-Übergang in einer 2D-Heterostruktur herzustellen und so sowohl eine kristallographische als auch eine Ladungsasymmetrie am Übergang einzuführen.“

„Der laterale Übergang zwischen den Phasen ist sehr interessant, da er atomar scharfe Grenzen in atomar dünnen Schichten liefert, etwas, das unsere Gruppe vor fast einem Jahrzehnt entwickelt hat“, sagte Ajayan. „Dies ermöglicht es, Materialien in 2D zu konstruieren, um Gerätearchitekturen zu erstellen, die in elektronischen Anwendungen einzigartig sein könnten.“

Der Übergang ist weniger als 10 Nanometer dick und bildet sich, wenn Tellurgas eingeführt wird, während Molybdänmetall in einem Ofen für chemische Dampfabscheidung einen Film auf Siliziumdioxid bildet. Dieser Prozess erzeugt Inseln aus halbleitenden Molybdän-Tellurid-Phasen im Meer aus metallischen Phasen.

Das Anlegen einer Spannung an den Übergang über die Spitze eines Piezoresponse-Force-Mikroskops erzeugt eine mechanische Reaktion. Das misst auch sorgfältig die Stärke der an der Verbindungsstelle erzeugten Piezoelektrizität.

„Der Unterschied zwischen den Gitterstrukturen und der elektrischen Leitfähigkeit erzeugt eine Asymmetrie an der Phasengrenze, die im Wesentlichen unabhängig von der Dicke ist“, sagt Puthirath. Das vereinfacht die Herstellung von 2D-Kristallen für Anwendungen wie miniaturisierte Aktuatoren.

„Eine Heterostruktur-Grenzfläche ermöglicht viel mehr Freiheit für technische Materialeigenschaften als eine einzelne Massenverbindung“, sagte Zhu. „Obwohl die Asymmetrie nur im Nanobereich existiert, kann sie makroskopische elektrische oder optische Phänomene, die oft von der Grenzfläche dominiert werden, erheblich beeinflussen.“