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(fā)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后硅晶時代的半導體替代材料。
大量的MoS2并不具有壓電效應。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制造技術的哥倫比亞大學教授James Home發(fā)現(xiàn)，MoS2在彎曲或以原子單層沈積于軟性基板上，就能夠"發(fā)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于彼此吸附而消除了在原子單層時所產(chǎn)生的電能。然而，如果堆棧三個原子單層時，其壓電效應又幾乎加倍。研究人員指出，其訣竅就在于確認以奇數(shù)方式堆棧2D的MoS2原子單層。不過，即使堆棧三層MoS2后，所產(chǎn)生的電量仍十分稀少，因此研究人員正嘗試以更多雙數(shù)原子層進行實驗。
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(chǎn)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(chǎn)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于確認 MoS2 原子薄層存在壓電特性。從這種 2D 材料發(fā)現(xiàn)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傳感器，而非供電來源。所用的薄層堆棧層數(shù)越少，所制造出來的組件就越有彈性、越可拉伸以及越靈敏——特別重要的是如果用來作為傳感器時。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組件以及紅圈所示測試區(qū)域兩側的電極(黑色)特寫
（來源：Rob Felt，Georgia Tech，下同）
王中林表示："這種 2D 材料所提供的優(yōu)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，模擬智能皮膚。所以，這種新材料可在應變測量中作為扮演重角色的傳感器，以及利用壓電電子效應制造由機械應力控制的功能性組件。"
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本文下一頁：未來主動柔性電子器件可自供電
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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(chuàng)造新的晶體管類型。王中林教授以及該校博士后研究生Wenzhuo Wu現(xiàn)正致力于這種組件的開發(fā)，預計不久將可展示成果。
MoS2組件以及紅圈所示測試區(qū)域兩側的電極(黑色)特寫
在測試過程中，Hone負責制造材料、觀察其晶格結構，并于其上制作金屬電極。 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，并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(shù)數(shù)量堆棧的原子單層缺乏這種特性，素質，盡管以前已經(jīng)有相關理論進行過預測了，但卻從來未經(jīng)實驗證實。
喬治亞理工學院博士后研究生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?guī)缀跬该鞯腗oS2原子薄層樣本進行測試。
Hone的研究團隊還發(fā)現(xiàn)，相較于陶瓷壓電等傳統(tǒng)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(jīng)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，特別是適用于像可穿戴式設備等低功率的應用。
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(tǒng)是自供電的人機界面，機器人技術，微機電系統(tǒng)，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(tǒng)，使其得以為一些人機接口、機器人、MEMS以及其他主動軟性電子設備供電。
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