Gegevensgestuurde ontdekking van NbOI2 als een hoogwaardig gelaagd piëzo-elektrisch

Figuur toont (links) de plaat piëzo-elektrische spanningstensorelementen berekend voor 2.940 verschillende materialen in hun monolaagvorm. De maximale plaat piëzo-elektrische spanning tensorelementen, e_ijzijn uitgezet op een logschaal in eenheden van 10^-10 C/m (radiale as), volgens de classificatie van de ruimtegroep (kristalstructuur) voor de materialen (hoekas). (Rechts) de atomaire structuur van NbOX₂ (X = Cl, Br, I) vertoont een niet-symmetrie in de x-richting. Credit: Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29495-y

Piëzo-elektrische materialen kunnen mechanische energie omzetten in elektrische energie en omgekeerd. De laatste jaren is er een groeiende belangstelling voor de zoektocht naar tweedimensionale (2D) gelaagde piëzo-elektrische materialen. Dergelijke gelaagde van der Waals-piëzo-elektrische materialen zijn bijzonder nuttig voor nichetoepassingen zoals actuatoren met precisie op atomaire schaal en draagbare sensoren. Bovendien kunnen 2D-piëzo-elektrische materialen fungeren als stroomgeneratoren op nanoschaal voor apparaten op nanoschaal.

De ontdekking van 2D-piëzo-elektriciteit was meestal op ad-hocbasis. Een systematische zoektocht door een 2D-materialendatabase is vereist om 2D-materialen te ontdekken die het meest geschikt zijn voor gebruik als piëzo-elektrische materialen. Het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Quek Su Ying van het Department of Physics, National University of Singapore, voerde zo’n systematische zoektocht uit in een database van 2.940 gelaagde Van der Waals-materialen met behulp van high-throughput first principles-berekeningen. Van de 2.940 materialen identificeerde het team 109 materialen die piëzo-elektrische effecten vertonen in de vorm van een enkele laag. Van deze materialen blijken er ongeveer 10 uitzonderlijk grote piëzo-elektrische coëfficiënten te hebben, waarvan de hoogste die voor NbOI zijn.₂. Materialen met hoge piëzo-elektrische coëfficiënten geven over het algemeen betere piëzo-elektrische prestaties.

De uitstekende piëzo-elektrische prestaties van NbOI₂ wordt weerspiegeld in de voorspelde elektromechanische koppelingsfactor, die de maximaal mogelijke eenheidswaarde in dit materiaal heeft. Het onderzoeksteam isoleerde NbOI . met enkele lagen₂ kristallen en voerde laserscanningvibrometerstudies uit op bulk- en weiniglaagse NbOI₂ kristallen om hun piëzo-elektrische respons te meten. Ze ontdekten dat NboI₂ vertoonde een piëzo-elektrische respons die veel groter is dan referentiematerialen in zowel de bulk- als de weiniglaagse monsters.

NboI₂ behoort tot een familie van niobiumoxydihalogeniden (NbOX₂: X = Cl, Br, I) die grote piëzo-elektrische coëfficiënten hebben. De onderzoekers deden een meer gedetailleerde studie van deze materiële familie en ontdekten dat NbOX₂ heeft een intrinsieke ferro-elektrische polarisatie omdat de kristalstructuur niet symmetrisch is in de x-richting). Interessant is dat de piëzo-elektrische coëfficiënten het grootst zijn voor NbOI₂terwijl de ferro-elektrische polarisatie het grootst is voor NbOCl₂.

Prof Quek zei: “De klasse van NbOX₂ materialen heeft een groot potentieel voor toepassingen. Uit ons werk bleek dat een van haar leden, NbOI₂, had de beste piëzo-elektrische prestaties van de 2.940 materialen in ons onderzoek. Verder vonden we dat de piëzo-elektrische prestatie onafhankelijk is van de dikte. Dit is in tegenstelling tot andere 2D-piëzo-elektriciteit zoals molybdeendisulfide, waarbij de piëzo-elektriciteit niet aanwezig is als er een even aantal lagen is. De dikte-onafhankelijkheid van piëzo-elektriciteit in NbOX₂ is handig voor praktische toepassingen waar de controle van de materiaaldikte bijzonder uitdagend kan zijn.”