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Piezoelectricity in einem 2-D Halbleiter

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Piezoelectricity ist ein weithin bekannter Effekt in den Massenkristallen

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Eine Tür ist zu den Niederleistungsoff/on Schaltern in den micro-electro-mechanical Systemen (MEMS) und zu den nanoelectronic Vorrichtungen, sowie ultrasensitive Bio-sensors, mit der ersten Beobachtung von Piezoelectricity in einem freien stehenden zweidimensionalen Halbleiter von einer Mannschaft der Forscher mit nationalem Laboratorium des US-Energieministeriums (DAMHIRSCHKUH) 's-Lawrence Berkeley geöffnet worden (Berkeley-Labor).

Xiang Zhang, Direktor der Material-Wissenschafts-Abteilung des Berkeley-Labors und der internationalen Berechtigung auf nanoscale Technik, führte eine Studie, in der Piezoelectricity - die Umwandlung der mechanischen Energie in Elektrizität oder umgekehrt - in einem freien stehenden einlagigen des Molybdändisulfids demonstriert wurde, einen 2D Halbleiter, der ein möglicher Nachfolger zum Silikon für schnellere elektronische Geräte zukünftig ist.

„Piezoelectricity ist ein weithin bekannter Effekt in den Massenkristallen, aber dieses ist das erste quantitative Maß des piezoelektrischen Effektes in einem einlagigen der Moleküle, das tatsächliche Infläche Dipole hat,“ Zhang sagt. „Die Entdeckung von Piezoelectricity auf dem molekularen Niveau nicht nur ist grundlegend interessant, aber könnte zu melodische Piezomaterialien und Vorrichtungen für extrem kleines Krafterzeugung und -abfragung auch führen.“

Zhang, der den ausgestatteten Stuhl Ernest-S. Kuh an der Universität von Kalifornien (UC) Berkeley hält und ein Mitglied des Kavli Energie NanoSciences Instituts bei Berkeley ist, ist der entsprechende Autor eines Papiers in der Natur-Nanotechnologie, die diese Forschung beschreibt. Das Papier wird betitelt „Beobachtung von Piezoelectricity im freistehenden monomolekularen Film MoS2.“ Co-führen Sie Autoren sind Hanyu Zhu und Yuan Wang, beide Mitglieder Zhangs der Uc- BerkeleyForschungsgruppe. (Sehen Sie unten für eine komplette Liste der Mitverfasser.)

Seit seiner Entdeckung 1880, hat der piezoelektrische Effekt breite Anwendung in den Massenmaterialien, einschließlich Auslöser, Sensoren und Energieerntemaschinen gefunden. Es gibt steigendes Interesse, an, nanoscale piezoelektrische Materialien zu verwenden, um die niedrigste mögliche Leistungsaufnahme für Ein/Aus-Schalter in MEMS und andere Arten elektronische Computing-Systeme zur Verfügung zu stellen. Jedoch wenn materielle Stärke einer einzelnen molekularen Schicht sich nähert, kann die große Oberflächenenergie piezoelektrische Strukturen veranlassen, instabil thermodynamisch zu sein.

Über den letzten Paaren von Jahren, haben Zhang und seine Gruppe einzeln aufgeführte Studien des Molybdändisulfids, ein 2D Halbleiter, der die hohe elektrische Leitfähigkeit kennzeichnet, die mit der von graphene vergleichbar ist, aber, anders als graphene durchgeführt, natürliche Energie Bandabstände haben, das bedeutet, dass seine Leitfähigkeit ausgeschalten werden kann.

„Übergangsmetalldichalcogenides wie Molybdändisulfid können ihre Atomstrukturen zur einlagigen Begrenzung ohne Gitterrekonstruktion unten behalten, sogar in den umgebenden Bedingungen,“ sagt Zhang. „Neue Berechnungen sagten das Bestehen von Piezoelectricity in diesen 2D Kristallen wegen ihrer defekten Umstellungsymmetrie voraus. Um dieses zu prüfen, kombinierten wir ein seitlich angewendetes elektrisches Feld mit Nanoeinrückung in einem Atomkraftmikroskop für das Maß des piezoelectrically-erzeugten Membranendruckes.“

Zhang und seine Gruppe benutzten einen freistehenden einlagigen Kristall des Molybdändisulfids, um alle mögliche Substrateffekte, wie Lackieren und parasitsche Gebühr, in ihren Maßen des tatsächlichen Piezoelectricity zu vermeiden. Sie notierten einen piezoelektrischen Koeffizienten 2.9×10-10 C/m, das mit vielen am meisten benutzten Materialien wie Zinkoxid und Aluminiumnitrid vergleichbar ist.

„Den piezoelektrischen Koeffizienten zu kennen ist für Vorrichtungen atomar dünn entwerfen wichtig und ihre Leistung,“ sagt Naturdass papier Zhu Autor schätzend Co-führen. „Der piezoelektrische Koeffizient, den wir im Molybdändisulfid fanden, ist für Gebrauch in den Niederleistungs-Logikschaltern und in den biologischen Sensoren genügend, die sind empfindlich für Begrenzungen der molekularen Masse.“

Zhang, Zhu und ihre Mitverfasser entdeckten auch, dass, wenn einige einzelne Schichten des Molybdändisulfidkristalles auf gegenseitig gestapelt wurden, Piezoelectricity war nur anwesend in der ungeraden Zahl der Schichten (1.3.5, etc.)

„Diese Entdeckung ist von einer Physikperspektive, da kein anderes Material ähnliche Schichtzahl Empfindlichkeit gezeigt hat,“ Zhu sagt interessant. „Das Phänomen konnte auch prüfen nützlich für Anwendungen, in denen wir die Vorrichtungen wünschen, die aus nur möglichen materiellen Arten bestehen, in denen etwas Bereiche der Vorrichtung nicht-piezoelektrisch sein müssen.“

Zusätzlich zusätzlich den Logikschaltern und zu den biologischen Sensoren konnte Piezoelectricity in den Molybdändisulfidkristallen Gebrauch im möglichen neuen Weg zur Quantendatenverarbeitung und zum ultraschnellen datenverarbeitenden benannten „valleytronics auch finden.“ Im valleytronics werden Informationen in der Drehbeschleunigung und im Momentum eines Elektrons verschlüsselt, das durch ein Kristallgitter als Welle mit Energiespitzen und -tälern sich bewegt.

„Eine Arten valleytronic Vorrichtungen hängen von der absoluten Kristallrichtung ab, und piezoelektrische Anisotrophie kann eingesetzt werden, um dieses festzustellen, 'sagt, dass Naturpapier Wang Autor Co-führen. „Wir forschen auch die Möglichkeit der Anwendung von Piezoelectricity, um valleytronic Eigenschaften wie Kreisdichroismus im Molybdändisulfid direkt zu steuern.“ nach