p Uma porta foi aberta para interruptores liga / desliga de baixa potência em sistemas microeletromecânicos (MEMS) e dispositivos nanoeletrônicos, bem como biossensores ultrassensíveis, com a primeira observação de piezoeletricidade em um semicondutor bidimensional autônomo por uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do DOE. p Xiang Zhang, diretor da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e autoridade internacional em engenharia em nanoescala, conduziu um estudo no qual a piezoeletricidade - a conversão de energia mecânica em eletricidade ou vice-versa - foi demonstrada em uma única camada independente de dissulfeto de molibdênio, um semicondutor 2D que é um sucessor potencial do silício para dispositivos eletrônicos mais rápidos no futuro.

p "A piezoeletricidade é um efeito bem conhecido em cristais em massa, mas esta é a primeira medição quantitativa do efeito piezoelétrico em uma única camada de moléculas que tem dipolos intrínsecos no plano, "Diz Zhang." A descoberta da piezoeletricidade no nível molecular não é apenas fundamentalmente interessante, mas também pode levar a piezo-materiais sintonizáveis ​​e dispositivos para geração de força extremamente pequena e detecção. "

p Zhang, que detém a cadeira dotada de Ernest S. Kuh na University of California (UC) Berkeley e é membro do Kavli Energy NanoSciences Institute em Berkeley, é o autor correspondente de um artigo em Nature Nanotechnology descrevendo esta pesquisa. O artigo é intitulado "Observação da Piezoeletricidade em Monocamada Autônoma MoS2". Os co-autores principais são Hanyu Zhu e Yuan Wang, ambos membros do grupo de pesquisa da UC Berkeley de Zhang. (Veja abaixo uma lista completa de co-autores.)

p Desde sua descoberta em 1880, o efeito piezoelétrico encontrou ampla aplicação em materiais a granel, incluindo atuadores, sensores e coletores de energia. Há um interesse crescente no uso de materiais piezoelétricos em nanoescala para fornecer o menor consumo de energia possível para interruptores liga / desliga em MEMS e outros tipos de sistemas de computação eletrônicos. Contudo, quando a espessura do material se aproxima de uma única camada molecular, a grande energia de superfície pode fazer com que as estruturas piezoelétricas sejam termodinamicamente instáveis.

p Nos últimos anos, Zhang e seu grupo têm realizado estudos detalhados de dissulfeto de molibdênio, um semicondutor 2D que apresenta alta condutância elétrica comparável à do grafeno, mas, ao contrário do grafeno, tem lacunas de banda de energia natural, o que significa que sua condutância pode ser desligada.

p "Dichalcogenetos de metais de transição, como dissulfeto de molibdênio, podem reter suas estruturas atômicas até o limite de camada única, sem reconstrução de rede, mesmo em condições ambientais, "Diz Zhang." Cálculos recentes previram a existência de piezoeletricidade nesses cristais 2D devido à sua simetria de inversão quebrada. Para testar isso, combinamos um campo elétrico aplicado lateralmente com nanodentação em um microscópio de força atômica para a medição do estresse de membrana gerado piezoeletricamente. "

p Zhang e seu grupo usaram um cristal de camada única de dissulfeto de molibdênio independente para evitar quaisquer efeitos de substrato, como dopagem e carga parasitária, em suas medições da piezoeletricidade intrínseca. Eles registraram um coeficiente piezoelétrico de 2,9 × 10-10 C / m, que é comparável a muitos materiais amplamente utilizados, como óxido de zinco e nitreto de alumínio.

p "Conhecer o coeficiente piezoelétrico é importante para projetar dispositivos atomicamente finos e estimar seu desempenho, " diz Natureza artigo co-autor principal Zhu. "O coeficiente piezoelétrico que encontramos no dissulfeto de molibdênio é suficiente para uso em interruptores lógicos de baixa potência e sensores biológicos que são sensíveis aos limites de massa molecular."

p Zhang, Zhu e seus co-autores também descobriram que, se várias camadas simples de cristal de dissulfeto de molibdênio fossem empilhadas umas sobre as outras, a piezoeletricidade estava presente apenas no número ímpar de camadas (1, 3, 5, etc.)

p "Esta descoberta é interessante do ponto de vista da física, uma vez que nenhum outro material mostrou sensibilidade semelhante ao número de camadas, "Zhu diz." O fenômeno também pode ser útil para aplicações nas quais queremos dispositivos que consistam no mínimo de tipos de materiais possíveis, onde algumas áreas do dispositivo precisam ser não piezoelétricas. "

p Além de interruptores lógicos e sensores biológicos, A piezoeletricidade em cristais de dissulfeto de molibdênio também pode ser usada na nova rota potencial para a computação quântica e o processamento de dados ultrarrápido chamado "Valleytronics". Em Valleytronics, a informação é codificada no spin e momentum de um elétron movendo-se através de uma rede cristalina como uma onda com picos e vales de energia.

p "Alguns tipos de dispositivos Valleytronic dependem da orientação absoluta do cristal, e a anisotropia piezoelétrica pode ser empregada para determinar isso, ' diz Natureza artigo co-autor principal Wang. "Também estamos investigando a possibilidade de usar a piezoeletricidade para controlar diretamente as propriedades valleytrônicas, como o dicroísmo circular em dissulfeto de molibdênio."