Um modelo de redistribuição de carga mostra como a carga flui através das interfaces de fase em um material piezoelétrico 2D de molibdênio (azul) e telúrio (amarelo). As áreas vermelhas são eletrodeficientes, as verdes são ricas em elétrons. A tensão de uma ponta de microscópio distorce a rede e cria dipolos na fronteira entre os átomos. Crédito:Grupo de Pesquisa Ajayan
Ainda há muito espaço na parte inferior para gerar piezoeletricidade. Engenheiros da Rice University e seus colegas estão mostrando o caminho.
Um novo estudo descreve a descoberta da piezoeletricidade – o fenômeno pelo qual a energia mecânica se transforma em energia elétrica – através dos limites de fase de materiais bidimensionais.
O trabalho liderado pelos cientistas de materiais de arroz Pulickel Ajayan e Hanyu Zhu e seus colegas da Escola de Engenharia George R. Brown de Rice, da Universidade do Sul da Califórnia, da Universidade de Houston, do Laboratório de Pesquisa da Base Aérea Wright-Patterson e da Universidade Estadual da Pensilvânia aparece em
Materiais Avançados .
A descoberta pode ajudar no desenvolvimento de sistemas nanoeletromecânicos cada vez menores, dispositivos que podem ser usados, por exemplo, para alimentar minúsculos atuadores e biossensores implantáveis e sensores ultrassensíveis de temperatura ou pressão.
Os pesquisadores mostram que o sistema atomicamente fino de um domínio metálico em torno das ilhas semicondutoras cria uma resposta mecânica na rede cristalina do material quando submetido a uma tensão aplicada.
A presença de piezoeletricidade em materiais 2D geralmente depende do número de camadas, mas sintetizar os materiais com um número preciso de camadas tem sido um desafio formidável, disse o pesquisador da Rice Anand Puthirath, co-autor principal do artigo.
"Nossa pergunta era como fazer uma estrutura piezoelétrica em vários níveis de espessura - monocamada, bicamada, tricamada e até mesmo em massa - a partir de material não piezoelétrico", disse Puthirath. "A resposta plausível foi fazer uma junção unidimensional metal-semicondutor em uma heteroestrutura 2D, introduzindo assim a assimetria cristalográfica e de carga na junção".
Uma imagem de um microscópio de força com sonda Kelvin mostra a distribuição de potencial eletrônico nas fases metálica e semicondutora do MoTe2 . Uma equipe de pesquisadores liderada pela Rice University descobriu piezoeletricidade através dos limites de fase no material. Crédito:Grupo de Pesquisa Ajayan
“A junção lateral entre as fases é muito interessante, pois fornece limites atomicamente nítidos em camadas atomicamente finas, algo que nosso grupo foi pioneiro quase uma década antes”, disse Ajayan. "Isso permite a engenharia de materiais em 2D para criar arquiteturas de dispositivos que podem ser únicas em aplicações eletrônicas."
A junção tem menos de 10 nanômetros de espessura e se forma quando o gás telúrio é introduzido, enquanto o metal molibdênio forma um filme sobre o dióxido de silício em um forno de deposição de vapor químico. Este processo cria ilhas de fases semicondutoras de telureto de molibdênio no mar de fases metálicas.
A aplicação de tensão à junção através da ponta de um microscópio de força piezoresposta gera uma resposta mecânica. Isso também mede cuidadosamente a força da piezoeletricidade criada na junção.
"A diferença entre as estruturas de treliça e a condutividade elétrica cria assimetria no limite de fase que é essencialmente independente da espessura", disse Puthirath. Isso simplifica a preparação de cristais 2D para aplicações como atuadores miniaturizados.
"Uma interface de heteroestrutura permite muito mais liberdade para propriedades de materiais de engenharia do que um único composto a granel", disse Zhu. “Embora a assimetria exista apenas em nanoescala, ela pode influenciar significativamente fenômenos elétricos ou ópticos macroscópicos, que geralmente são dominados pela interface”.
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