推动大规模压电材料的“打印”| ARC未来低能电子技术卓越中心

研究作者，从左起:Kouresh Kalantar-zadeh, Azmira Jannat, Nitu Syed, Torben Daeneke

研究人员开发了一种革命性的方法来“打印”大规模二维压电材料，为压电传感器和能量收集开辟了新的机会。

重要的是，这种廉价的工艺可以将压电元件直接集成到硅芯片上。

到目前为止，还没有二维压电材料被制成大片，因此不可能集成到硅芯片中，也不可能用于大规模的表面制造。

这种限制意味着压电加速度计设备——比如汽车安全气囊触发器或识别手机方向变化的设备——需要在硅衬底上嵌入单独的昂贵组件，这增加了巨大的制造成本。

二维GaPO原子力显微成像₄以及在不同施加电压下的压电测量

现在，墨尔本RMIT大学的FLEET研究人员展示了一种生产大规模2D磷酸镓片的方法，允许这种材料以低成本、低温制造工艺大规模地形成在硅衬底或任何其他表面上。

磷酸镓(GaPO₄)是一种重要的压电材料，通常用于压力传感器和微米级质量测量，特别是在高温或其他恶劣环境中。

首席研究员Kourosh Kalantar-zadeh教授解释说:“在科学中，这项工作通常建立在过去的成功基础上。”“我们采用了液态金属材料沉积技术我们最近开发了GaPO的2D电影₄通过一个简单的两步过程。”

Kalantar-zadeh教授现在是新南威尔士大学的化学工程教授，他在RMIT大学担任电子工程教授期间领导了开发这种新方法的团队。这项工作的实现是由于RMIT的Torben Daeneke博士的重大贡献，以及该工作的第一作者，博士研究员Nitu Syed所表现出的极端坚持和专注。

这种革命性的新方法可以简单、廉价地生长大面积(几厘米)、宽带隙、二维GaPO4纳米片的单位细胞厚度。

这是目前流行的压电材料首次展示了强的、平面外的压电性。

上:Ga的范德瓦尔斯2D打印₂O_3.液态金属镓的纳米片。下:转化Ga的化学气相反应体系₂O_3.对GaPO₄nanosheets。

新工艺简单、可扩展、低温且具有成本效益，极大地扩大了工业在这种规模和质量下可用的材料范围。

该工艺适用于制备游离GaPO4纳米片。该低温合成方法与多种电子器件制造程序兼容，为未来二维压电材料的发展提供了一条路线。

这种简单的、工业兼容的程序可以将大表面积的2D压电薄膜打印到任何衬底上，为压电传感器和能量采集器的发展提供了巨大的机会。

这些材料可以将施加的机械力或应变转化为电能。这些材料构成了声音和压力传感器的基础，通过振动或弯曲提供动力的嵌入式设备，甚至是用于燃气烧烤和炉灶的简单的“压电”打火机。

压电材料还可以利用由微小机械位移、振动、弯曲或拉伸产生的小电压为微型设备供电。

二维GaPO晶体结构₄

磷酸镓是一种石英状晶体，自20世纪80年代末以来一直用于压电应用，如压力传感器，在高温应用中特别有价值。由于它不能自然结晶成层状结构，因此不能用常规方法剥离，迄今为止，它的应用仅限于依赖于从其大块中雕刻晶体的应用。

用液态金属打印二维磷酸镓发表在本周的《自然通讯》上(DOI 10.1038/s41467-018-06124-1)。

测试材料在RMIT的微纳米研究设施(MNRF)中使用范德华斯剥落法，然后进行化学蒸汽磷化合成。

Nitu Syed和Torben Daeneke在RMIT的实验室

测量包括压电力显微镜(PFM)证实了8-10 pm/V的高平面外压电系数，并通过密度泛函理论(DFT)计算确认。

这足以为我们提供基于2d材料的压电传感和能量收集的希望。

确认以及舰队资金通过澳大利亚研究理事会卓越中心项目、设施和技术援助由皇家墨尔本理工学院提供微纳米研究设备(MNRF)而且显微分析设备(RMMF)．计算资源由澳大利亚政府提供国家计算基础设施国家基金和Pawsey超级计算机中心．

澳大利亚研究理事会卓越中心FLEET研究了具有有用电子特性的新颖原子薄(2D)材料，以研究它们在新的“超越CMOS”电子设备中的潜在用途。

未来低能耗电子技术中心(FLEET)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。

这种工作背后的动力是计算所消耗的能量日益增加美国耗电量占全球的5-8%，而且每十年就翻一番。