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2D壓電材料可望為穿戴式裝置供電

上網時間: 2014年10月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:2D  壓電材料  MoS2  壓電效應  壓電電子效應 

美國哥倫比亞大學(Columbia University)與喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員們日前展示合作開發的全球首款 2D 壓電(piezoelectric)材料。這種名為「二硫化鋇」(molybdenum disulfide;MoS2)的無機化合物可望成為後矽晶時代的半導體替代材料。

大量的MoS2並不具有壓電效應。然而,專門研究壓電材料的喬治亞理工學院教授王中林以及專門研究奈米製造技術的哥倫比亞大學教授James Home發現,MoS2在彎曲或以原子單層沈積於軟性基板上,就能夠「發電」——這同時也是壓電材料的一大特色。

而當MoS2以兩個原子單層彼此覆蓋時,這種壓電效應就消失了——顯然是因為晶格結構由於彼此吸附而消除了在原子單層時所產生的電能。然而,如果堆疊三個原子單層時,其壓電效應又幾乎加倍。研究人員指出,其訣竅就在於確認以奇數方式堆疊2D的MoS2原子單層。不過,即使堆疊三層MoS2後,所產生的電量仍十分稀少,因此研究人員正嘗試以更多雙數原子層進行實驗。

薄如原子的MoS2半導體壓電效應
喬治亞理工學院與哥倫比亞大學展示薄如原子的MoS2半導體可產生壓電與壓電電子效應(來源:Rob Felt,Georgia Tech)

王中林表示:「薄如原子的MoS2能夠產生的電量相當小,連為一支手機充電都不夠。它的輸出甚至比我們從單氧化鋅(ZnO)奈米線取得的輸出量更低。但第一次的實驗報告重點在於確認 MoS2 原子薄層存在壓電特性。從這種 2D 材料發現的新特性,可望開啟未來更多的應用。」

例如, MoS2 的 2D 單層可作為超敏感的感測器,而非供電來源。所用的薄層堆疊層數越少,所製造出來的元件就越有彈性、越可拉伸以及越靈敏——特別重要的是如果用來作為感測器時。而在施加電壓時,它就像人造肌肉一樣具有彈性且可拉伸。單層MoS2還可使材料變得幾乎完全透明

 MoS2元件以及紅圈所示測試區域兩側的電極
MoS2元件以及紅圈所示測試區域兩側的電極(黑色)特寫
(來源:Rob Felt,Georgia Tech)

王中林表示:「這種 2D 材料所提供的優點包括高可撓性以及較大的機械強度,因而能與軟性基板整合,模擬智慧皮膚。所以,這種新材料可在應變測量中作為扮演重角色的感測器,以及利用壓電電子效應製造由機械應力控制的功能性元件。」

這種壓電電子效應(piezotronic effect)可讓實體應力控制源極與汲極通道之間的蕭特基高度,創造新的電晶體類型。王中林教授以及該校博士後研究生Wenzhuo Wu現正致力於這種元件的開發,預計不久將可展示成果。

在測試過程中,Hone負責製造材料、觀察其晶格結構,並於其上製作金屬電極。 王中林教授主導的研究團隊則測量在壓電模式下彎曲時的輸出電壓,並在壓電電子模式下測量施加電壓時的拉伸與收縮。

除了確認存在壓電以及壓電電子效應以外,王中林教授也證實了以偶數數量堆疊的原子單層缺乏這種特性,素質,儘管以前已經有相關理論進行過預測了,但卻從來未經實驗證實。

MoS2原子薄層樣本測試
喬治亞理工學院博士後研究生Wenzhuo Wu(左)與教授王中林教授(右)為高透光、可彎曲與拉伸、極輕且幾乎透明的MoS2原子薄層樣本進行測試。
(來源:Rob Felt,Georgia Tech)

Hone的研究團隊還發現,相較於陶瓷壓電等傳統材料,這種 2D 壓電半導體可以拉得更遠。此外,研究人員們也預期許多所謂過渡金屬硫族化物同樣具有壓電與電壓電子特性,但尚未經過測試證實。這些材料中有許多都對未來的半導體十分有幫助,特別是適用於像可穿戴式裝置等低功率的應用。

接下來霍恩的研究小組計劃建造的應用實例,和王的研究小組的目標是建立完整的原子薄的納米系統是自供電的人機界面,機器人技術,微機電系統,以及其他主動柔性電子器件等領域。

接下來,Hone的研究團隊計劃打造更多應用實例,而王中林的研究團隊目標則是打造更完整的原子薄層奈米系統,使其得以為一些人機介面、機器人、MEMS以及其他主動式軟性電子裝置供電。

編譯:Susan Hong

(參考原文:First 2D Atomic Piezoelectric Discovered,by R. Colin Johnson)





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