Исследователи с факультета инженерного дела и прикладных наук им. Фу (Fu Foundation School of Engineering and Applied Science) университета Колумбия и Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) сообщили на днях, что впервые обнаружили пьезоэлектрический и пьезотронный эффект в атомарно тонком материале — дисульфиде молибдена (MoS2), в результате чего появилась возможность создания электрических генераторов нового типа, а также оптически прозрачных, чрезвычайно лёгких и гибких, чувствительных к механическому воздействию материалов.
В статье, опубликованной онлайн 15 октября 2014 года в Nature, исследовательская группа сообщила о получении электроэнергии при механическом воздействии на плёнку из дисульфида молибдена. Пьезоэлектрический эффект для этого материала ранее был предсказан теоретически.
Пьезоэлектричество — это известный эффект, при котором растяжение или сжатие материала приводит к генерации электрического напряжения (или, наоборот, в котором приложенное напряжение заставляет материал расширяться или сужаться). Однако ранее не удавалось получить экспериментальные данные о пьезоэлектрических эффектах в материалах атомарной толщины. Наблюдение, о котором стало известно сейчас, подтвердило существование в реальности теоретически возможных свойств двумерных материалов, позволяющих создавать механически управляемые электронные устройства.
«Этот материал представляет собой один слой атомов и может быть интегрирован в носимые устройства, возможно, в одежду, чтобы преобразовать энергию движения вашего тела в электроэнергию для питания носимых датчиков или медицинские аппаратов. Возможно, будет вырабатываться достаточно энергии, чтобы можно было зарядить сотовый телефон в кармане», — говорит Джеймс Хон (James Hone), профессор машиностроения, один из руководителей исследования.
Хон и его исследовательская группа в 2008 году продемонстрировали, что графен, двумерная форма углерода, является чрезвычайно прочным материалом. Он и Лей Ван (Lei Wang), научный сотрудник группы Хона, активно исследуют свойства двумерных материалов, подобных графену и MoS2, при их растягивании и сжатии.
Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang), профессор материаловедения и инженерии в Технологическом институте Джорджии и его исследовательская группа являются пионерами в области проектирования пьезоэлектрических наногенераторов для преобразования механической энергии в электрическую. Он, вместе с коллегами, разрабатывает и новый тип устройств. Это «нано-пьезотронные» компоненты, которые используют пьезоэлектрический заряд, чтобы контролировать поток тока через материал.
Существует два ключевых момента, необходимых для генерации тока с помощью дисульфида молибдена: нечётное число слоёв и изгибание их в нужном направлении. Материал крайне полярен, отмечает Чжун Линь Ван, поэтому чётное число слоёв компенсирует пьезоэлектрический эффект. Материал кристаллической структуры также является пьезоэлектрическим только в определённых кристаллических ориентациях.
В Nature описан эксперимент, в ходе которого исследователи поместили тонкие хлопья MoS2 на гибкие пластиковые подложки, их кристаллические решётки были ориентированы с помощью оптических методов. Затем на хлопьях были закреплены узорные металлические электроды. Механические деформации подложки привели к появлению электрического тока, силу и напряжение которого измерили с помощью закреплённых электродов. Учёные отметили, что выходное напряжение меняет полярность, когда изменяется направление деформации, и что электричество не вырабатывалось в образцах с чётным числом атомных слоёв, что подтвердило теоретические предсказания, опубликованные в прошлом году. Наличие пьезотронного эффекта в нечётном количестве слоёв MoS2 впервые наблюдалось на практике.
«Очень интересно то, что мы обнаружили, что такой материал как MoS2, который не имеет пьезоэлектрических свойств в объёмной форме, может стать пьезоэлектрическим, когда он представляет собой атомарно тонкий слой», — говорит Лей Ван.
Для того чтобы стать пьезоэлектрическим, материал не должен иметь центральной симметрии. Один атомный слой MoS2 имеет такую структуру, и является пьезоэлектрическим. В объёме же MoS2 слои, ориентированные в противоположных направлениях, генерируют токи, которые компенсируют друг друга и дают нулевой пьезоэлектрический эффект в итоге.
Исследование американских учёных создаёт основу для создания наносистем, получающих энергию от механического воздействия. Также имеются перспективы применения пьезотронного эффекта слоистых материалов в устройствах взаимодействия человека и машины, в робототехнике, активной гибкой электронике.
