Химики из Уорикского университета совместно с коллегами из Китая показали, что нанесение слоя металлического золота на полупроводниковый кристалл может придавать ему уникальные электрические свойства, которые можно использовать для создания датчиков и миниатюрных источников тока. Статья о разработке опубликована в журнале Nature.

Такая технология стала возможной благодаря нарушению симметрии кристалла. Каждый кристалл состоит из элементарных ячеек — областей, содержащих атомы, которые повторяются на всем протяжении материала. Каждая элементарная ячейка имеет элементы симметрии — ее можно вращать вокруг различных осей, отражать в плоскостях или переворачивать, и при этом кристалл совместится сам с собой. Количество элементов симметрии, которые характерны для кристалла, определяют его физические свойства.

В новой работе исследователи нашли способ изменять симметрию кристалла с помощью тонкого слоя золота на его поверхности. В результате на их границе возник так называемый переход Шоттки, который индуцировал магнитное поле в полупроводниковой структуре под металлом, нарушая тем самым ее симметрию и позволяя кристаллу приобретать свойства, совершенно для него нехарактерные.

Например, исследователи наблюдали пьезоэлектрический эффект, при котором энергия движения преобразуется в электроэнергию или наоборот. Также авторы обнаружили у вещества пироэлектрический эффект — преобразование тепла в электрическую энергию. Эти свойства известны как интерфейсные эффекты и определяются структурой очень небольшой области кристалла под металлической поверхностью.

В своей работе исследователи наносили на кристаллы благородные металлы — золото и платину. Эти элементы ученые выбрали из-за их хороших термодинамических параметров, но неплохими вариантами также могут быть медь, серебро и иридий. В качестве кристаллов химики использовали титанат стронция, диоксид титана и кремний. Ни один из этих материалов обычно не проявляет пьезоэлектрического или пироэлектрического эффекта.

Если материалов появляется пьезоэлектрический или пироэлектрический эффект, они становятся способны производить электричество в ответ на приложенное воздействие в виде давления или изменения температуры. Поэтому обнаружить такие свойства можно, подвергнув материал воздействию и проведя замеры напряжения на контактах, присоединенных к нему.

Найденные исследователями эффекты, возникающие при нанесении слоя золота, имеют большой потенциал для использования в датчиках с высокой чувствительностью, или в технологиях преобразовании энергии. С помощью пьезоэлектрического эффекта кристаллы могут собирать энергию или применяться в качестве привода или преобразователя. Пироэлектрический эффект позволит использовать их в качестве сенсора или для получения изображений в инфракрасном спектре.