Das Biegen von 2D-Nanomaterial könnte künftigen Technologien zugute kommen

Rice University, Houston, TX

Boris Yakobson von der Rice University und seine Mitarbeiter entdeckten eine Eigenschaft ferroelektrischer 2D-Materialien, die als Funktion in zukünftigen Geräten genutzt werden könnte. Da sie sich als Reaktion auf einen elektrischen Reiz verbiegen, können einschichtige ferroelektrische Materialien so gesteuert werden, dass sie als nanoskaliger Schalter oder sogar als Motor fungieren, wie eine in ACS Nano veröffentlichte Studie zeigt.

Einschichtige – oder 2D – Materialien bestehen typischerweise aus einer einzigen Atomschicht und sind daher nur wenige Nanometer dick. Aufgrund ihrer physikalischen, elektrischen, chemischen und optischen Eigenschaften sind sie in Anwendungen von der Unterhaltungselektronik bis hin zu medizinischen und industriellen Technologien nützlich.

„2D-Materialien sind sehr dünn und sehr flexibel“, sagte Yakobson, Karl F. Hasselmann Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik. „Bei einschichtigen Ferroelektrika führt dies zu einem unerwarteten spontanen, aktiven Biegeverhalten.

„Die Neuheit, die wir in dieser Studie festgestellt haben, besteht darin, dass es einen Zusammenhang oder eine Kopplung zwischen dem ferroelektrischen Zustand und der Biegung oder Biegung des Materials gibt. Diese Arbeit kombiniert die Entdeckung oder Vorhersage einer grundlegenden Eigenschaft einer Klasse von 2D-Materialien mit einem praktischen Anwendungswinkel.“

Ferroelektrika sind Materialien, die aus negativen und positiven Ionen bestehen, die sich verschieben können, um eine spontane Polarisation zu erzeugen – die Ionen entmischen sich aufgrund ihrer elektrischen Ladung.

„Das Interessante ist, dass die Atome nicht identisch sind“, sagte Jun-Jie Zhang von Rice. „Einige davon sind größer, andere kleiner, sodass die Schichtsymmetrie gebrochen ist.“

Die Polarisation treibt die größeren Atome auf eine Seite der 2D-Materialschicht und die kleineren Atome auf die andere Seite. Diese asymmetrische Verteilung der Atome oder Ionen führt dazu, dass sich die Materialoberfläche im ferroelektrischen Zustand verbiegt.

„Anstatt flach zu bleiben, verbiegt sich das Material im ferroelektrischen Zustand“, sagte Yakobson. „Wenn Sie die Polarisation ändern – und Sie können sie durch Anlegen einer elektrischen Spannung ändern – können Sie die Richtung steuern, in die sie sich biegt. Dieses steuerbare Verhalten bedeutet, dass Sie über einen Aktuator verfügen.

„Ein Aktuator ist jedes Gerät, das ein Signal – in vielen Fällen ein elektrisches Signal, aber es kann auch eine andere Art von Signal sein – in mechanische Verschiebung oder, mit anderen Worten, Bewegung oder Arbeit umwandelt.“

Die Studie betrachtete 2D-Indiumphosphid als Vertreter der Klasse von Ferroelektrika, für die sie diese Eigenschaft vorhersagt.

„Diese neue Eigenschaft bzw. das Biegeverhalten muss in einem Labor für bestimmte Substanzen getestet werden“, sagte Yakobson. „Seine Verwendung wird höchstwahrscheinlich als eine Art Schalter sein. Dieses Verhalten ist sehr schnell und sehr empfindlich, was bedeutet, dass man mit einem sehr kleinen lokalen Signal möglicherweise eine Turbine oder einen Elektromotor einschalten oder die Spiegel von Teleskopen mit adaptiver Optik steuern kann. Das ist im Grunde das Wesen dieser Aktuatoren.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Silvia Cernea Clark unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 713-348-6728.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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