Las fronteras 2D podrían crear electricidad

El laboratorio Rice lidera el esfuerzo por generar piezoelectricidad independiente del grosor en materiales de espesor atómico

19.08.2022 - Estados Unidos

Todavía hay mucho espacio en el fondo para generar piezoelectricidad. Los ingenieros de la Universidad de Rice y sus colegas están mostrando el camino.

Ajayan Research Group/Rice University

Un modelo de redistribución de carga muestra cómo fluye la carga a través de las interfaces de fase en un material piezoeléctrico 2D de molibdeno (azul) y telurio (amarillo). Las zonas rojas son electrodeficientes, las verdes son ricas en electrones. La tensión de una punta de microscopio distorsiona la red y crea dipolos en la frontera entre los átomos.

Un nuevo estudio describe el descubrimiento de la piezoelectricidad -fenómeno por el que la energía mecánica se convierte en energía eléctrica- a través de los límites de fase de los materiales bidimensionales.

El trabajo dirigido por los científicos de materiales de Rice Pulickel Ajayan y Hanyu Zhu y sus colegas de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, la Universidad del Sur de California, la Universidad de Houston, el Laboratorio de Investigación de la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson y la Universidad Estatal de Pensilvania aparece en Advanced Materials.

El descubrimiento podría contribuir al desarrollo de sistemas nanoelectromecánicos cada vez más pequeños, dispositivos que podrían utilizarse, por ejemplo, para alimentar diminutos actuadores y biosensores implantables, así como sensores de temperatura o presión ultrasensibles.

Los investigadores demuestran que el sistema atómicamente fino de un dominio metálico que rodea islas semiconductoras crea una respuesta mecánica en la red cristalina del material cuando se somete a un voltaje aplicado.

La presencia de piezoelectricidad en materiales 2D suele depender del número de capas, pero sintetizar los materiales con un número preciso de capas ha sido un reto formidable, dijo el científico de investigación de Rice Anand Puthirath, coautor del artículo.

"Nuestra pregunta era cómo fabricar una estructura que fuera piezoeléctrica en varios niveles de grosor (monocapa, bicapa, tricapa e incluso a granel) a partir de un material no piezoeléctrico", explicó Puthirath. "La respuesta plausible era hacer una unión unidimensional metal-semiconductor en una heteroestructura 2D, introduciendo así una asimetría cristalográfica y de carga en la unión".

"La unión lateral entre fases es muy interesante, ya que proporciona límites atómicamente nítidos en capas atómicamente finas, algo en lo que nuestro grupo fue pionero casi una década antes", dijo Ajayan. "Esto permite diseñar materiales en 2D para crear arquitecturas de dispositivos que podrían ser únicas en aplicaciones electrónicas".

La unión tiene menos de 10 nanómetros de grosor y se forma cuando se introduce gas telurio mientras el metal molibdeno forma una película sobre el dióxido de silicio en un horno de deposición química de vapor. Este proceso crea islas de fases semiconductoras de teluro de molibdeno en el mar de fases metálicas.

La aplicación de voltaje a la unión a través de la punta de un microscopio de fuerza de piezorrespuesta genera una respuesta mecánica. De esta forma, también se mide cuidadosamente la fuerza de la piezoelectricidad creada en la unión.

"La diferencia entre las estructuras de la red y la conductividad eléctrica crea una asimetría en el límite de fase que es esencialmente independiente del grosor", explica Puthirath. Eso simplifica la preparación de cristales 2D para aplicaciones como los actuadores miniaturizados.

"Una interfaz de heteroestructura permite mucha más libertad en la ingeniería de las propiedades de los materiales que un compuesto único a granel", dijo Zhu. "Aunque la asimetría sólo existe en la nanoescala, puede influir significativamente en los fenómenos eléctricos u ópticos macroscópicos, que suelen estar dominados por la interfaz".

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