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Piezzoelettricità in un 2-D semiconduttore

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La piezzoelettricità è un effetto ben noto all'ingrosso cristalli

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Un portello è stato aperto agli interruttori a bassa potenza di off/on nei sistemi micro-electro-mechanical (MEMS) ed ai dispositivi nanoelectronic, così come i biosensori ultrasensibili, con la prima osservazione di piezzoelettricità in un semiconduttore bidimensionale diritto libero da una squadra di ricercatori con il Dipartimento per l'energia di Stati Uniti laboratorio nazionale di s Lawrence Berkeley (DAINA) '(laboratorio del Berkeley).

Xiang Zhang, direttore di divisione di scienze dei materiali del laboratorio del Berkeley e di un'autorità internazionale sull'ingegneria del nanoscale, ha condotto uno studio in cui la piezzoelettricità - la conversione di energia meccanica in elettricità o viceversa - è stata dimostrata in un a un solo strato diritto libero del bisolfuro di molibdeno, un 2D semiconduttore che è un successore potenziale a silicone per gli apparecchi elettronici più veloci in avvenire.

“La piezzoelettricità è un effetto ben noto all'ingrosso cristalli, ma questa è la prima misura quantitativa dell'effetto piezoelettrico in un a un solo strato delle molecole che ha dipoli intrinsechi dell'in-aereo,„ Zhang dice. “La scoperta di piezzoelettricità al livello molecolare non solo è fondamentalmente interessante, ma anche potrebbe condurre ai piezo-elettrico-materiali ed ai dispositivi sintonizzabili per la generazione estremamente piccola ed il rilevamento della forza.„

Zhang, che tiene la sedia dotata Kuh di Ernest S. all'Università di California (UC) Berkeley ed è un membro dell'istituto di NanoSciences di energia di Kavli a Berkeley, è l'autore corrispondente di una carta in nanotecnologia della natura che descrive questa ricerca. La carta è intitolata “osservazione di piezzoelettricità in strato monomolecolare indipendente MoS2.„ Co-conduca gli autori sono Hanyu Zhu e Yuan Wang, entrambi i membri del gruppo di ricerca del Uc Berkeley dello Zhang. (Vedi sotto per una lista completa dei co-author.)

Dalla relativa scoperta in 1880, l'effetto piezoelettrico ha trovato l'applicazione larga all'ingrosso i materiali, compreso gli azionatori, i sensori e le mietitrici di energia. Ci è interesse aumentante nel usando i materiali piezoelettrici del nanoscale per fornire l'assorbimento di corrente di energia possibile più basso per gli interruttori acceso/spento in MEMS ed altri tipi di sistemi informatici elettronici. Tuttavia, quando lo spessore materiale si avvicina ad un singolo strato molecolare, la grande energia di superficie può indurre le strutture piezoelettriche ad essere thermodinamicamente instabili.

Sopra le coppie passate degli anni, Zhang ed il suo gruppo stanno effettuando gli studi dettagliati del bisolfuro di molibdeno, un 2D semiconduttore che caratterizza l'alta conduttanza elettrica paragonabile a quella di graphene, ma, diverso di graphene, ha fascia-spacchi di energia naturale, che significa che la relativa conduttanza può essere spenta.

“I dichalcogenides del metallo di transizione quale il bisolfuro di molibdeno possono mantenere le loro strutture atomiche giù al limite a un solo strato senza ricostruzione della grata, anche nelle circostanze ambientali,„ Zhang dice. “I calcoli recenti hanno predetto l'esistenza di piezzoelettricità in questi 2D cristalli dovuto la loro simmetria rotta di inversione. Per provare questo, abbiamo unito un campo elettrico lateralmente applicato con la nano-rientranza in un microscopio atomico della forza per la misura dello sforzo piezoelectrically-generato della membrana.„

Zhang ed il suo gruppo hanno usato un cristallo a un solo strato indipendente del bisolfuro di molibdeno per evitare tutti gli effetti del substrato, quali la verniciatura e la carica parassita, nelle loro misure della piezzoelettricità intrinseca. Hanno registrato un coefficente piezoelettrico di 2.9×10-10 C/m, che è paragonabile a molti materiali ampiamente usati quali l'ossido di zinco ed il nitruro dell'alluminio.

“Conoscere il coefficente piezoelettrico è importante per la progettazione atomico sottilmente dei dispositivi e valutando la loro prestazione,„ dice che carta della natura co-conduce Zhu autore. “Il coefficente che piezoelettrico abbiamo trovato in bisolfuro di molibdeno è sufficiente per uso in interruttori a bassa potenza di logica e sensori biologici che sono sensibili ai limiti della massa molecolare.„

Zhang, Zhu ed i loro co-author inoltre hanno scoperto che se parecchi singoli strati dell'a cristallo del bisolfuro di molibdeno fossero impilati in cima ad uno un altro, la piezzoelettricità era soltanto presente nel numero dispari degli strati (1.3.5, ecc.)

“Questa scoperta è interessante da una prospettiva di fisica poiché nessun altro materiale ha indicato la simile sensibilità di strato-numero,„ Zhu dice. “Il fenomeno potrebbe anche risultare utile per le applicazioni in cui vogliamo i dispositivi che consistono dei tipi materiali soltanto possibili, in cui alcune zone del dispositivo devono essere non-piezoelettriche.„

Oltre che gli interruttori di logica ed i sensori biologici, la piezzoelettricità nei cristalli del bisolfuro di molibdeno ha potuto anche trovare l'uso nel nuovo itinerario potenziale alla computazione di quantum e “al valleytronics chiamato dell'elaborazione dei dati ultraveloce.„ In valleytronics, le informazioni sono messe nella rotazione e nella quantità di moto di un elettrone che si muove attraverso una grata di cristallo come onda con i picchi e le valli di energia.

“Alcuni tipi di dispositivi valleytronic dipendono dall'orientamento di cristallo assoluto e l'anisotropia piezoelettrica può essere impiegata per determinare questo, 'dice che carta della natura co-conduce Wang autore. “Inoltre stiamo studiando la possibilità di usando la piezzoelettricità direttamente per controllare le proprietà valleytronic quale dicroismo circolare in bisolfuro di molibdeno.„