Физики впервые получили двумерный оксид молибдена, который демонстрирует пьезоэлектрические свойства. Обычно пьезоэлектриками являются нецентросимметричные кристаллы, но оксид молибдена таким не является. В новом материале ученые смогли искусственно добиться пьезоэлектрических свойств за счет добавления структурных дефектов, в результате чего он стал электретом с долгим сроком хранения.

Статья опубликована в журнале Advanced Materials.

Существует класс материалов, называемый пьезоэлектриками. Как правило, это кристаллы, элементы атомной решетки которых не симметричны (хиральны).

Несимметричная структура кристалла FeSi

В таких кристаллах при деформации возникает напряжение и, например, на этом принципе работает электроискра у бытовых зажигалок, или же с его помощью можно сделать тактильный сенсор. Кроме того, бывает и обратный пьезоэффект, когда материал деформируется при подаче на него напряжения. На основе этого работают, например, форсунки струйных принтеров.

С тех пор, как были открыты кристаллы из одного слоя атомов, ученые ищут способ изготавливать из них материалы с разными физико-химическими свойствами, в том числе пьезоэлектрики. Несмотря на то, что объединяя одноатомные слои графена или нитрида бора уже удавалось получить хиральные кристаллы, физики продолжают попытки добиться пьезоэлектрического отклика именно от единственного слоя атомов.

Доктор Эмей Апт (Amey Apte) из Университета Райса и его коллеги предложили способ искусственного придания пьезоэлектрических свойств двумерному оксиду молибдена, чья решетчатая структура в норме симметричная.

Структура оксида молибдена. Атомы кислорода (красные) симметрично располагаются вокруг молибдена (синий) / Apte et al. / Advanced Materials, 2020

Помимо пьезокристаллов, напряжение при деформации создают также электреты. Электреты — это, как правило, полимерные пены, отлитые в сильном электрическом поле, которое перемещает носители заряда в материале таким образом, что он приобретает постоянную поляризацию. К сожалению, эта поляризация деградирует в течение нескольких лет, а высокие температуры уничтожают ее мгновенно.

Исследователи решили придать оксиду молибдена аналогичные свойства. Если его хлопья получать методом конденсации из пара, кристаллическая решетка будет обладать дефектами — разрывами. Эти разрывы приобретают заряд, и в результате получается двумерный кристаллический электрет, подобно полимерным аналогам также производящий напряжение при деформации.

Разрывы, удерживающие заряд в оксиде молибдена / Apte et al. / Advanced Materials, 2020

Измерения показали, что удельный пьезоэлектрический отклик электрета из оксида молибдена равен 0,56 пикометров на вольт, что примерно равно таковому у пьезоэлектриков на основе графена (0,2–1 пикометров на вольт). При этом, в отличие от полимерных электретов, заряды в оксиде молибдена не деградируют в течение долгого времени, вплоть до нескольких столетий. В первую очередь, это открытие интересно тем, что показывает путь искусственного создания пьезоэлектрических свойств.