Как создавали самый тонкий пьезогенератор в мире

Если и можно с уверенностью отметить важные открытия этого года, открывающие 2015 год, то это — точно оно. Около месяца назад исследователи из Columbia Engineering и Технологического института Джорджии сообщили о первом экспериментальном наблюдении пьезоэлектрического и пьезотронического эффектов в атомарно-тонком материале, дисульфиде молибдена (MoS2). Результатом может стать уникальный электрогенератор механочувствительное устройство, которое будет оптически прозрачным, очень легким, гибким и растягивающимся.

В статье, опубликованной  в журнале Nature, исследовательская группа двух институтов продемонстрировала механическую выработку электроэнергии в двумерном материале (2D) из MoS2. Пьезоэлектрический эффект в этом материале ранее был сугубо теоретическим.

Пьезоэлектричество — это хорошо известный эффект, в процессе которого растягиваемый или сжимаемый материал вырабатывает электрическое напряжение (или наоборот, когда приложенное напряжение заставляет его расширяться или сжиматься). Однако для материалов толщиной в несколько атомов эффект пьезоэлектричества пока не был наблюдаем экспериментально. Новейшая работа с дисульфидом молибдена открывает потенциальный путь новым видам механически управляемых электронных устройств.

«Этот материал — всего в один атомный слой — можно превратить в носимое устройство, интегрировать в одежду, чтобы преобразовывать энергию движений вашего тела в электроэнергию и питать носимые сенсоры или медицинские устройства; возможно, этой энергии хватит даже на то, чтобы заряжать телефон прямо в кармане», — говорит Джеймс Хон, профессор машиностроения и соавтор работы.

«Подтверждение пьезоэлектрического и пьезотронического эффектов добавляет новые функциональные возможности подобным двумерным материалам, — комментирует Чжун Линь Вон, также соавтор исследования. — Материаловеды в восторге от дисульфида молибдена, а демонстрация пьезоэлектрического эффекта на его примере придает новый вид материалу».

Хон и его исследовательская группа продемонстрировали в 2008 году, что графен, двумерная форма углерода, является самым прочным материалом. Вместе с Линь Ван они также активно изучают новые свойства 2D-материалов типа гарфена и MoS2, а точнее, как они растягиваются и сжимаются.

Чжун Линь Вон и его исследовательская группа были пионерами в области пьезоэлектрических наногенераторов, преобразующих механическую энергию в электричество. Вместе с постдокторантом Венчжуо Ву они также разрабатывают пьезотронические устройства, которые используют пьезоэлектрические заряды для управления потоком тока, протекающим через материал — так же, как это происходит в обычных трехконцовых транзисторах.

Есть два способа использования дисульфида молибдена для генерации тока: с помощью нечетных слоев и сгибания его в нужном направлении. Материал чрезвычайно полярен, но, как отмечает Чжун Линь Вон, четное число слоев отменяет пьезоэлектрический эффект. Кристаллическая структура материала также пьезоэлектрическая только при определенном расположении кристаллов.

Для работы в Nature команда Хона размещала тонкие хлопья MoS2 на гибких пластиковых подложках и определяла, как ориентируются их кристаллические решетки с помощью оптических методов. Затем наносили на хлопья металлические электроды. В исследовании, проделанном в Университете Джорджии, группа Вона устанавливала измерительные электроды на образцах, предоставленных группой Хона, а затем измеряла течение тока при механической деформации образцов. Они следили за преобразованием механической энергии в электрическую, а также измеряли напряжение и выход тока.

«Из того, что мы обнаружили, любопытным стало то, что материал MoS2, который не является пьезоэлектрическим в объемной форме, становится таковым, когда худеет до одноатомного слоя».

Чтобы стать пьезоэлектрическим, материал должен разбивать центральную симметрию. В объемном MoS2 последовательные слои ориентированы в противоположных направлениях и генерируют положительное и отрицательное напряжения, которые компенсируют друг друга, тем самым выдавая нулевой пьезоэлектрический эффект.

По сути, MoS2 — всего лишь один из группы двумерных полупроводниковых материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов, все из которых, по прогнозам, обладают похожими пьезоэлектрическими свойствами. Они, в свою очередь, являются частью еще большего семейства двумерных материалов, из которых пьезоэлектрические материалы пока остаются нераскрытыми. Важно отметить, что, как показал Хон и его коллеги, двумерные материалы могут растягиваются значительно больше, если сравнивать с обычными материалами. Традиционные керамические пьезоэлектрики довольно хрупкие.

Исследование может открыть двери разработке новых применений подобных материалов и изучению их уникальных свойств.

«Это первая экспериментальная работа в этой области, которая демонстрирует элегантный пример того, как меняется мир, когда размер материала сжимается до масштабов одного атома, — добавляет Хон. — С тем, что мы узнали, мы уже готовы создавать полезные устройства для всех видов применений».

В конечном счете, как отмечает Чжун Линь Вон, исследование может привести к созданию полноценной наносистемы в один атом толщиной, которая будет совершенно автономно собирать механическую энергию из окружающей среды. Это исследование также впервые демонстрирует пьезотронический эффект на примере двумерного материала, что значительно расширяет применение слоистых материалов во всех сферах современной электроники.