Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли обнаружили способ использования пьезоэлектрического эффекта, эффекта преобразования энергии механического воздействия в электрическую энергию и наоборот, возникающего в кристалле дисульфида молибдена (молибденита, MoS₂), «плоского» полупроводникового материала, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом. Данное открытие может стать основой для разработки новых нанотехнологий и наноэлектронных устройств, таких, как сканирующие атомно-силовые микроскопы, микроскопические электрогенераторы и нанодвигатели, высокочувствительные датчики силы, давления и многое другое.

«Пьезоэлектрический эффект известен людям очень и очень давно, но, как правило, он возникает лишь в объемных кристаллах определенных соединений. Нам же удалось произвести количественные измерения пьезоэлектрического эффекта, возникающего в единственном слое молекул полупроводникового материала, что открывает массу новых интересных возможностей» – рассказывает Сян Занг (Xiang Zhang), директор Отдела материаловедения лаборатории Лоуренса.

Наноразмерные пьезоэлектрические материалы могут обеспечить снабжение электроэнергией узлов и деталей крошечных микроэлектромеханических систем (MEMS), некоторых компонентов вычислительных систем и других элементов, которым для их работы требуется лишь незначительное количество энергии.

Однако, когда толщина пьезоэлектрического материала приближается к толщине одного молекулярного слоя, некоторые термодинамические эффекты делают материал нестабильным и бесполезным для практического использования.

Рис. 1.

В течение нескольких последних лет группа Занга работала над исследованиями свойств дисульфида молибдена, «плоского» полупроводникового материала, обладающего высокой электрической проводимостью, сопоставимой с проводимостью графена. Однако, в отличие от графена, молибденит обладает естественной достаточно широкой электронной запрещенной зоной, что позволяет создавать из этого материала элементы наподобие транзисторов, которые могут быть включены или выключены.

Последние теоретические расчеты показали, что

дисульфид молибдена должен обладать явно выраженными пьезоэлектрическими свойствами. И для того, чтобы произвести количественные измерения такого эффекта ученые из группы Занга создали микроскопическую структуру, в которой лист молибденита был растянут между двумя электродами. За счет сил, возникающих вследствие воздействия электрического поля от зонда атомно-силового микроскопа, в материале возникало наноуглубление, глубина которого измерялась оптическим способом.

Измерения глубины деформации и значения возникающего электрического потенциала позволили ученым высчитать так называемый **коэффициент пьезоэлектрического эффекта дисульфида молибдена, который оказался равен 2.9*10–10 C/m.

Такое значение сопоставимо со значениями аналогичного показателя окиси цинка, нитрата алюминия и других известных пьезоэлектрических материалов, используемых в миниатюрных переключателях, в биодатчиках, и в высокочувствительных датчиках веса, которые могут измерить массу единственной молекулы.

Пьезоэлектрический эффект в «плоских» кристаллах дисульфида молибдена может быть использован в реализации абсолютно нового подхода в области технологий квантовых вычислений. Кроме этого,

уникальные свойства молибденита могут стать основой для реализации нового направления в области высокоскоростной обработки данных, называемом валлитроникой (valleytronics). В этой области информация кодируется во вращении и импульсе электронов, перемещающихся через кристаллическую решетку материалов в виде волны, имеющей свои пики и провалы.