首款2D压电材料模拟智能皮肤

美国哥伦比亚大学(Columbia University)与乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员们日前展示合作开发的全球首款 2D 压电(piezoelectric)材料。这种名为"二硫化钡"(molybdenum disulfide；MoS2)的无机化合物可望成为后硅晶时代的半导体替代材料。 大量的MoS2并不具有压电效应。然而，专门研究压电材料的乔治亚理工学院教授王中林以及专门研究奈米制造技术的哥伦比亚大学教授James Home发现，MoS2在弯曲或以原子单层沈积于软性基板上，就能够"发电"——这同时也是压电材料的一大特色。 而当MoS2以两个原子单层彼此覆盖时，这种压电效应就消失了——显然是因为晶格结构由于彼此吸附而消除了在原子单层时所产生的电能。然而，如果堆栈三个原子单层时，其压电效应又几乎加倍。研究人员指出，其诀窍就在于确认以奇数方式堆栈2D的MoS2原子单层。不过，即使堆栈三层MoS2后，所产生的电量仍十分稀少，因此研究人员正尝试以更多双数原子层进行实验。 乔治亚理工学院与哥伦比亚大学展示薄如原子的MoS2半导体可产生压电与压电电子效应（来源：Rob Felt，Georgia Tech）王中林表示："薄如原子的MoS2能够产生的电量相当小，连为一支手机充电都不够。它的输出甚至比我们从单氧化锌(ZnO)奈米线取得的输出量更低。但第一次的实验报告重点在于确认 MoS2 原子薄层存在压电特性。从这种 2D 材料发现的新特性，可望开启未来更多的应用。" 例如， MoS2 的 2D 单层可作为超敏感的传感器，而非供电来源。所用的薄层堆栈层数越少，所制造出来的组件就越有弹性、越可拉伸以及越灵敏——特别重要的是如果用来作为传感器时。而在施加电压时，它就像人造肌肉一样具有弹性且可拉伸。单层MoS2还可使材料变得几乎完全透明。

MoS2组件以及红圈所示测试区域两侧的电极(黑色)特写 （来源：Rob Felt，Georgia Tech，下同）
王中林表示："这种 2D 材料所提供的优点包括高可挠性以及较大的机械强度，因而能与软性基板整合，模拟智能皮肤。所以，这种新材料可在应变测量中作为扮演重角色的传感器，以及利用压电电子效应制造由机械应力控制的功能性组件。" 本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载 本文下一页：未来主动柔性电子器件可自供电 {pagination} 这种压电电子效应(piezotronic effect)可让实体应力控制源极与汲极通道之间的萧特基高度，创造新的晶体管类型。王中林教授以及该校博士后研究生Wenzhuo Wu现正致力于这种组件的开发，预计不久将可展示成果。

MoS2组件以及红圈所示测试区域两侧的电极(黑色)特写
在测试过程中，Hone负责制造材料、观察其晶格结构，并于其上制作金属电极。 王中林教授主导的研究团队则测量在压电模式下弯曲时的输出电压，并在压电电子模式下测量施加电压时的拉伸与收缩。 除了确认存在压电以及压电电子效应以外，王中林教授也证实了以偶数数量堆栈的原子单层缺乏这种特性，素质，尽管以前已经有相关理论进行过预测了，但却从来未经实验证实。

乔治亚理工学院博士后研究生Wenzhuo Wu(左)与教授王中林教授(右)为高透光、可弯曲与拉伸、极轻且几乎透明的MoS2原子薄层样本进行测试。
Hone的研究团队还发现，相较于陶瓷压电等传统材料，这种 2D 压电半导体可以拉得更远。此外，研究人员们也预期许多所谓过渡金属硫族化物同样具有压电与电压电子特性，但尚未经过测试证实。这些材料中有许多都对未来的半导体十分有帮助，特别是适用于像可穿戴式设备等低功率的应用。 接下来霍恩的研究小组计划建造的应用实例，和王的研究小组的目标是建立完整的原子薄的纳米系统是自供电的人机界面，机器人技术，微机电系统，以及其他主动柔性电子器件等领域。 接下来，Hone的研究团队计划打造更多应用实例，而王中林的研究团队目标则是打造更完整的原子薄层奈米系统，使其得以为一些人机接口、机器人、MEMS以及其他主动软性电子设备供电。 本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载