Piesoelektriline grafeen

Kuigi grafeen on nii mitmeski mõttes imepärane, ei ole see siiski piesoelektriline. Piesoelektrilisuseks nimetatakse mõndade materjalide omadust toota deformeerimise korral elektrit. Mis aga kõige olulisem: piesoelektrilisus on pööratav. Elektrivälja rakendamisel muudavad piesoelektrilised materjalid oma kuju, võimaldades teadlastel nii seda materjali kontrollida.

Piesoelektrilist efekti on rakendatud loendamatutes seadmetes alates kelladest ja raadiotest kuni ultraheliaparaatideni, kuid kõik need kasutavad võrdlemisi suures koguses kolmedimensionaalseid piesoelektrilisi materjale, kirjutab Physorg.com.

Hiljuti avaldasid aga kaks Stanfordi Ülikooli materjaliteadlast teadusartikli, milles nad kirjeldavad piesoelektrilise efekti lisamist grafeenile, laiendades esmakordselt sellise täpse füüsikalise kontrolli meetodi ka nanoskaalale.

,,Füüsilised deformatsioonid, mida me tekitada võime, on rakendatava elektriväljaga otseselt proportsionaalsed  ning esindavad nanoskaalas elektroonika kontrollmeetodi uut tüüpi,” selgitas Evan Reed, artikli vanemautor. ,,See nähtus annab straintronics‘i (deformatsioonide uurimisega tegelev teadusharu, otsetõlkes pingetroonika) uurimisalale uue dimensiooni. Sellel alal uuritakse näiteks, kuidas elektriväli pingestab ehk deformeerib süsiniku võrestikku, põhjustades selle kuju muutumist kindlal viisil.”

,,Piesoelektriline grafeen võimaldaks erinevate rakenduste, seehulgas puutetundlike ekraanide ja nanoskaalas transistorite ülitäpset elektrilist, optilist ja mehaanilist kontrolli,” lausus Mitchell Ong, artikli peaautor.

Keeruka modelleerimisrakenduse abil simuleerisid teadlased grafeenvõrestiku ühele küljele lisandaatomite asetamist – protsess, mida tuntakse dopeerimise nime all – ning mõõtsid saadavad piesoelektrilist efekti. Lisandaatomitena kasutati liitiumit, vesinikku, kaaliumi ja fluori ning lisaks ka vesinik+fluori ja liitium+fluori kombinatsioone grafeenlehe mõlemal küljel.

Grafeeni ühe külje või mõlema külje dopeerimine erinevate aatomitega on antud protsessi võti, sest see rikub grafeeni täiusliku sümmeetria, mis tavaolukorras piesoelektrilisel efektil tekkida ei lase.

Tulemused üllatasid mõlemat inseneri.

,,Me arvasime, et piesoelektriline efekt tekib, kuid et see on võrdlemisi väike. Tegelikkuses saavutasime me aga taseme, mida võib võrrelda traditsiooniliste kolmemõõtmeliste materjalidega,” ütles Reed. ,,See on vägagi märkimisväärne.”

,,Meil õnnestus seda efekti veelgi paremini kontrollida, kui me dopeerisime grafeeni valikuliselt kindlate mustrite järgi, asetades aatomeid kindlatesse kohtadesse,” selgitas Ong. ,,Me nimetame seda disainer-piesoelektriks, sest see võimaldab meil strateegiliselt kontrollida kus, millal ning kui palju grafeen elektrivälja asetatuna deformeerub. Sellel nähtusel on insenerialal mitmeid rakendusi.”

Kuigi grafeeni piesoelektrilisuse tekitamine on julgustav, usuvad teadlased, et nende tehnikat saaks kasutada ka nanotorudes ja teiste materjalides, leides rakendusi nii elektroonikas, fotoonikas, energia saamises, keemilistes sensorites ning kõrgsageduslikus akustikas.

,,Me otsime juba nüüd uusi piesoelektrilisi seadmeid, mis põhinevad muudel kahedimensionaalsetel materjalidel, lootes, et need avavad nanotehnoloogias uusi ja olulisi võimalusi,” sõnas Reed.

Allikas

Teadusartikkel: “Engineered Piezoelectricity in Graphene“