Материал толщиной с атом стал самым тонким в мире электрогенератором
Тончайший в мире пласт дисульфида молибдена (MoS2) может стать электрогенератором будущего. Команда учёных из Колубийского университета и Технологического института Джорджии опубликовала статью в журнале Nature, в которой описали эксперимент по наблюдению пьезоэлектрического эффекта в листе этого материал толщиной с атом.
Эта работа может стать основой для создания нового поколения электрических генераторов. Устройства будут оптически прозрачными, сверхлёгкими, гибкими и растяжимыми, что сделает их универсальной основой почти для любой электронной технологии.
Пьезоэлектричество, как физическое явление, хорошо изучено само по себе: при механической деформации пьезоэлектрика (кристалла с особыми свойствами) возникает электрический заряд, и наоборот, при сообщении электрического заряда материалу, последний деформируется механически. Однако до сих пор физики не могли изучить экспериментально пьезоэлектрический эффект в двумерном материале, хотя и описали его теоретически.
"Мы использовали материал толщиной всего в один атом. Столь тонкий пласт можно использовать для изготовления носимых устройств и преобразовывать энергию тела пользователя в электроэнергию, которая будет питать носимые датчики, медицинские устройства или даже заряжать смартфоны в кармане", — рассказывает соавтор исследования Джеймс Хоун (James Hone), профессор машиностроения из Колумбийского университета.
Его коллега Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии добавляет, что с точки зреня фундаментальной науки этот эксперимент также имеет важное значение, так как открывает на практике новое свойство двумерных материалов.
Как отмечают авторы исследования, существуют два ключевых свойства, которые необходимо учитывать для генерации пьезоэлектрического эффекта в двумерном дисульфиде молибдена. Во-первых, необходимо использовать нечётное число слоёв материала, а во-вторых, сгибать его нужно в строго определённом направлении. Используемое вещество является высокополярным, и потому чётное количество слоёв приведёт к исчезновению пьезоэлектрического эффекта, а кристаллическая структура материала позволяет проявиться эффекту только при определённой конфигурации.
В ходе своего эксперимента Хоун и его коллеги поместили тонкие хлопья MoS2 на гибкие пластиковые подложки и точно измерили ориентацию кристаллической решётки материала. Затем учёные вставили в определённом порядке металлические электроды в хлопья, после чего в образцы были помещены измерительные электроды. Последнее действие позволило зарегистрировать заряд, проходящий по материалу при механической деформации. Так учёные проследили за преобразованием механической энергии в электрическую.
Исследователи также отметили, что выходное напряжение поменяло знак после того, как они изменили направление деформации, и исчезло вовсе, когда число слоёв было чётным. Таким образом Хоун и его коллеги подтвердили теоретические прогнозы.
"Интереснее всего то, что дисульфид молибдена, не являясь пьезоэлектриком в объёме, проявляет эти свойства, будучи уменьшенным до одного слоя толщиной в атом", — отмечает Линь Ван в пресс-релизе.
Чтобы проявлялся пьезоэлектрический эффект, у материала должна отсутствовать центральная симметрия. Один атомный слой дисульфида молибдена обладает именно такой структурой, тем не менее, у трёхмерного материала последовательные слои ориентированы в противоположных направлениях и генерируют положительные и отрицательные напряжения, которые компенсируют друг друга, и дают нулевой пьезоэлектрический эффект.
Эта работа может стать основой для создания нового поколения электрических генераторов. Устройства будут оптически прозрачными, сверхлёгкими, гибкими и растяжимыми, что сделает их универсальной основой почти для любой электронной технологии.
Пьезоэлектричество, как физическое явление, хорошо изучено само по себе: при механической деформации пьезоэлектрика (кристалла с особыми свойствами) возникает электрический заряд, и наоборот, при сообщении электрического заряда материалу, последний деформируется механически. Однако до сих пор физики не могли изучить экспериментально пьезоэлектрический эффект в двумерном материале, хотя и описали его теоретически.
"Мы использовали материал толщиной всего в один атом. Столь тонкий пласт можно использовать для изготовления носимых устройств и преобразовывать энергию тела пользователя в электроэнергию, которая будет питать носимые датчики, медицинские устройства или даже заряжать смартфоны в кармане", — рассказывает соавтор исследования Джеймс Хоун (James Hone), профессор машиностроения из Колумбийского университета.
Его коллега Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии добавляет, что с точки зреня фундаментальной науки этот эксперимент также имеет важное значение, так как открывает на практике новое свойство двумерных материалов.
Как отмечают авторы исследования, существуют два ключевых свойства, которые необходимо учитывать для генерации пьезоэлектрического эффекта в двумерном дисульфиде молибдена. Во-первых, необходимо использовать нечётное число слоёв материала, а во-вторых, сгибать его нужно в строго определённом направлении. Используемое вещество является высокополярным, и потому чётное количество слоёв приведёт к исчезновению пьезоэлектрического эффекта, а кристаллическая структура материала позволяет проявиться эффекту только при определённой конфигурации.
В ходе своего эксперимента Хоун и его коллеги поместили тонкие хлопья MoS2 на гибкие пластиковые подложки и точно измерили ориентацию кристаллической решётки материала. Затем учёные вставили в определённом порядке металлические электроды в хлопья, после чего в образцы были помещены измерительные электроды. Последнее действие позволило зарегистрировать заряд, проходящий по материалу при механической деформации. Так учёные проследили за преобразованием механической энергии в электрическую.
Исследователи также отметили, что выходное напряжение поменяло знак после того, как они изменили направление деформации, и исчезло вовсе, когда число слоёв было чётным. Таким образом Хоун и его коллеги подтвердили теоретические прогнозы.
"Интереснее всего то, что дисульфид молибдена, не являясь пьезоэлектриком в объёме, проявляет эти свойства, будучи уменьшенным до одного слоя толщиной в атом", — отмечает Линь Ван в пресс-релизе.
Чтобы проявлялся пьезоэлектрический эффект, у материала должна отсутствовать центральная симметрия. Один атомный слой дисульфида молибдена обладает именно такой структурой, тем не менее, у трёхмерного материала последовательные слои ориентированы в противоположных направлениях и генерируют положительные и отрицательные напряжения, которые компенсируют друг друга, и дают нулевой пьезоэлектрический эффект.