В материале атомной толщины, дисульфиде молибдена (MoS2), впервые экспериментально наблюдался пьезоэлектрический эффект, что может привести к разработке уникальных новых  устройств.

 Исследователи из Columbia Engineering и Технологического института Джорджии доложили, что они впервые экспериментально наблюдали пьезоэлектрический эффект в двумерном материале дисульфиде молибдена (MoS2), в результате чего возможно создание уникальных электрических генераторов и новых видов механически управляемых электронных устройств, оптически прозрачных, очень легких, гибких и способных растягиваться.

В статье, опубликованной на сайте Nature 15 октября 2014, исследовательские группы из двух институтов демонстрируют выработку электроэнергии посредством приложения механических усилий к 2D-материалу MoS2. Пьезоэлектрический эффект в данном материале ранее был предсказан теоретически.

Пьезоэлектрический эффект хорошо известен, он представляет собой выработку электрической энергии при растяжении или сжатии материала (или наоборот приложенное напряжение заставляет материал расширяться или сжиматься). Но для 2D-материалов пьезоэлектричество экспериментально до сих пор не было получено.

"Этот материал представляет собой только один слой атомов и может быть выполнен в виде переносного устройства, например, встроен в одежду, чтобы преобразовывать энергию от движения тела в электроэнергию для питания носимых датчиков или медицинских устройств, или даже для зарядки мобильного телефона в кармане, "говорит Джеймс Хон,  один из руководителей исследования.

Хон и его исследовательская группа продемонстрировала в 2008 году, что графен, 2D-форма углерода, является самым прочным материалом. Они активно изучают новые свойства 2D-материалов, таких как графен и MoS2.

Есть два способа использовать дисульфид молибдена для генерации тока: с помощью нечетного числа слоев или сгибая его в нужном направлении. Материал обладает высокой полярностью, и, таким образом, четное число слоев уменьшает пьезоэлектрический эффект. Также материал является пьезоэлектриком только при определенных кристаллических ориентациях структуры.

Команда исследователей размещала тонкие хлопья MoS2 на гибких пластиковых подложках и определяла с помощью оптических методов ориентацию их кристаллических решеток. Затем они наносили металлические электроды на хлопья материала. В исследованиях, проводимых в Джорджии, исследователи устанавливали измерительные электроды на образцы, предоставленные другой группой, затем измеряли ток через образцы при их деформации.

Исследователи также отметили, что выходное напряжение меняет знак при изменении направления прикладываемой деформации, и, что оно исчезает в образцах с четным числом атомных слоев, подтвердив теоретические предсказания, опубликованные в прошлом году. "Действительно интересно, что такой материал как MoS2, который не является пьезоэлектриком в объемном виде, может им стать, когда он утоньшается до одного атомного слоя," говорит один из руководителей исследования Лей Ван.

Чтобы быть пьезоэлектриком, в материале должна нарушаться центральная симметрия. Один атомный слой из MoS2 имеет такую структуру, и должен быть пьезоэлектриком. Тем не менее, в объемном дисульфиде молибдена последовательные слои ориентированы в противоположных направлениях и генерируют положительные и отрицательные напряжения, которые компенсируют друг друга и дают нулевой пьезоэлектрический эффект.

Подтвержден пьезоэлектрический эффект в двумерном материале дисульфиде молибдена (MoS2), в результате чего возможно создание уникальных электрических генераторов и новых видов механически управляемых электронных устройств, оптически прозрачных, очень легких, гибких и способных растягиваться.

 

 Это исследование добавило еще один материал к семейству пьезоэлектриков для функциональных устройств. В самом деле, MoS2 является лишь одним из группы  полупроводниковых 2D-материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов, все из которых, согласно прогнозам, обладают аналогичными пьезоэлектрическими свойствами. Важно отметить, что двумерные материалы могут быть значительно больше растянуты по сравнению с обычными материалами, в частности традиционными керамическими пьезоэлектриками, которые довольно хрупки.

Исследование может открыть дверь к развитию новых приложений для материала и его уникальным свойствам. В итоге, исследование может привести к наносистемам атомной толщины с автономным питанием, получающим механическую энергию из окружающей среды.

Источник: http://engineering.columbia.edu/researchers-develop-world%E2%80%99s-thinnest-electric-generator

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта