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Piézoélectricité dans un 2-D semi-conducteur

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La piézoélectricité est un effet bien connu en vrac les cristaux

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Une porte a été ouverte aux commutateurs de basse puissance d'off/on dans les systèmes micro-electro-mechanical (MEMS) et aux dispositifs nanoelectronic, aussi bien que les biodétecteurs ultra-sensibles, avec la première observation de la piézoélectricité dans un semi-conducteur bidimensionnel debout libre par une équipe de chercheurs avec le ministère de l'énergie des États-Unis laboratoire national de s Lawrence Berkeley (DAINE) '(laboratoire de Berkeley).

Xiang Zhang, directeur de Division de sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et d'une autorité internationale sur la technologie de nanoscale, a mené une étude dans laquelle la piézoélectricité - la conversion de l'énergie mécanique dans l'électricité ou vice versa - a été démontrée dans un à une seule couche debout libre du bisulfure de molybdène, un 2D semi-conducteur qui est un successeur potentiel au silicium pour des appareils électroniques plus rapides à l'avenir.

La « piézoélectricité est un effet bien connu en vrac les cristaux, mais c'est la première mesure quantitative de l'effet piézoélectrique en à une seule couche des molécules qui a les dipöles intrinsèques de dans-avion, » Zhang dit. « La découverte de la piézoélectricité au niveau moléculaire non seulement est fondamentalement intéressante, mais également pourrait mener aux piézo-électrique-matériels et aux dispositifs réglables pour la génération extrêmement petite et la détection de force. »

Zhang, qui tient la chaise dotée par Kuh d'Ernest S. à l'Université de Californie (UC) Berkeley et est un membre de l'institut de NanoSciences d'énergie de Kavli chez Berkeley, est l'auteur correspondant d'un papier en nanotechnologie de nature décrivant cette recherche. Le papier est intitulé « observation de piézoélectricité dans la couche unitaire libre MoS2. » Co-menez les auteurs sont Hanyu Zhu et yuan Wang, les deux membres du groupe de recherche d'Uc Berkeley de Zhang. (Voir ci-dessous pour une liste complète de co-auteurs.)

Depuis sa découverte en 1880, l'effet piézoélectrique a trouvé l'application large en vrac les matériaux, y compris des déclencheurs, des sondes et des moissonneuses d'énergie. Il y a intérêt en hausse en employant les matériaux piézoélectriques de nanoscale pour fournir la plus basse possible puissance d'énergie pour les commutateurs "Marche/Arrêt" dans MEMS et d'autres types de systèmes de calcul électroniques. Cependant, quand l'épaisseur matérielle approche une seule couche moléculaire, la grande énergie extérieure peut rendre les structures piézoélectriques thermodynamiquement instables.

Au-dessus des années passées, Zhang et son groupe avaient effectué des études détaillées du bisulfure de molybdène, un 2D semi-conducteur qui comporte la conductibilité électrique élevée comparable à celle du graphene, mais, à la différence du graphene, ont des bande-espaces d'énergie normale, qui signifie que sa conductibilité peut être coupée.

« Les dichalcogenides en métal de transition tels que le bisulfure de molybdène peuvent maintenir leurs structures atomiques vers le bas à la limite à une seule couche sans reconstruction de trellis, même en conditions ambiantes, » Zhang dit. « Les calculs récents ont prévu l'existence de la piézoélectricité dans ces 2D cristaux dus à leur symétrie cassée d'inversion. Pour examiner ceci, nous avons combiné un champ électrique latéralement appliqué avec la nano-impression dans un microscope atomique de force pour la mesure de l'effort piezoelectrically-produit de membrane. »

Zhang et son groupe avaient l'habitude un cristal à une seule couche libre du bisulfure de molybdène pour éviter tous les effets de substrat, tels que le dopage et la charge parasite, dans leurs mesures de la piézoélectricité intrinsèque. Ils ont enregistré un coefficient piézoélectrique de 2.9×10-10 C/m, qui est comparable à beaucoup de matériaux employés couramment tels que l'oxyde de zinc et la nitrure d'aluminium.

« Savoir le coefficient piézoélectrique est importante pour concevoir atomique légèrement des dispositifs et estimant leur exécution, » dit que papier de nature Co-mènent Zhu auteur. « Le coefficient piézoélectrique que nous avons trouvé en bisulfure de molybdène est suffisant pour l'usage dans les commutateurs de basse puissance de logique et des sondes biologiques qui sont sensibles aux limites de la masse moléculaire. »

Zhang, Zhu et leurs co-auteurs ont également découvert que si plusieurs seules couches de cristal du bisulfure de molybdène étaient empilées l'un sur l'autre, la piézoélectricité était seulement présente dans le nombre impair de couches (1.3.5, etc.)

« Cette découverte est intéressante d'une perspective de physique puisqu'aucun autre matériel n'a montré la sensibilité semblable de couche-nombre, » Zhu dit. « Le phénomène pourrait également s'avérer utile pour les applications dans lesquelles nous voulons des dispositifs se composant des types matériels seulement possibles, où quelques secteurs du dispositif doivent être non-piézoélectriques. »

En plus des commutateurs de logique et des sondes biologiques, la piézoélectricité dans des cristaux du bisulfure de molybdène pourrait également trouver l'utilisation dans le nouvel itinéraire potentiel à l'informatique quantique et au « valleytronics appelé informatique ultra-rapide. » Dans le valleytronics, l'information est codée dans la rotation et l'élan d'un électron se déplaçant par un réseau cristallin comme vague avec des crêtes et des vallées d'énergie.

« Quelques types de dispositifs valleytronic dépendent de l'orientation en cristal absolue, et l'anisotropie piézoélectrique peut être utilisée pour déterminer ceci, 'dit que papier de nature Co-mènent Wang auteur. « Nous étudions également la possibilité d'employer la piézoélectricité pour commander directement les propriétés valleytronic telles que le dichroïsme circulaire en bisulfure de molybdène. »