Os pesquisadores sintetizaram nanofolhas bidimensionais (2D) de seleneto de estanho (SnSe) com notável piezoeletricidade - transformando o estresse mecânico em eletricidade - que permite desenvolver dispositivos de rastreamento de saúde vestíveis com alimentação própria, sem necessidade de baterias.
A técnica de síntese de nanofolhas 2D SnSe e dispositivos piezotrônicos é descrita em um artigo publicado na revista Nano Research em 5 de dezembro de 2022.
Se você já usou um microfone, contou as horas em um relógio de quartzo ou ouviu um alto-falante, testemunhou o efeito piezoelétrico ou a conversão do estresse mecânico em eletricidade (ou vice-versa).
A carga elétrica pode se acumular nas redes cristalinas de certos materiais sólidos simplesmente pela aplicação de uma força mecânica a eles, como apertar ou empurrar. Esta propriedade notável não afecta todos os sólidos, mas apenas ocorre quando a estrutura cristalina de um sólido é tal que, quando é aplicada tensão mecânica, alguns átomos ficam juntos ou afastados, desestabilizando o equilíbrio entre a carga eléctrica positiva e negativa. Essa deformação torna o cristal capaz de conduzir corrente elétrica.
Este efeito piezoelétrico desempenha um papel fundamental em sensores funcionais, eletrônicos vestíveis e sistemas microeletromecânicos. Mas os materiais utilizados para estes “dispositivos piezotrónicos” tendem a ser grandes volumes de estrutura cristalina, limitando a sua flexibilidade.
Recentemente, no entanto, os chamados materiais 2D – aqueles que têm apenas alguns átomos de espessura – emergiram como candidatos promissores para a piezotrônica flexível. A flexibilidade vem da espessura em escala atômica desses nanogeradores piezoelétricos, ou “PENGs”, e a análise teórica sugere que os materiais 2D exibem um efeito piezoelétrico ainda mais forte do que os materiais piezoelétricos em massa comumente usados, como o quartzo.
“Mas o que é previsto pela teoria num computador enfrenta problemas quando tais materiais são usados ​​no mundo real”, disse o professor Jianhua Hao, cientista de materiais da Universidade Politécnica de Hong Kong e autor correspondente do artigo.
Um esforço considerável foi feito para explorar as propriedades piezoelétricas de muitos materiais, incluindo semicondutores 2D, como nitreto de boro hexagonal e dichalcogenetos de metais de transição. Mas acontece que a piezoeletricidade só ocorre quando estes materiais existem em camadas únicas (ou ‘monocamadas’). O efeito piezoelétrico desaparece à medida que a polarização eletrônica de uma camada é cancelada pela polarização das camadas adjacentes na direção oposta. Isto limita severamente a aplicabilidade da piezotrônica 2D devido à baixa durabilidade mecânica das monocamadas.
Alguns pesquisadores tentaram contornar esse problema por meio de diversas estratégias, como o uso de novas configurações de empilhamento para as camadas.
“Mas o desempenho piezoelétrico é extremamente fraco”, acrescentou o Prof. Hao. “E talvez ainda mais importante, o processo de engenharia é muito complicado e não é facilmente controlável, tornando-os não particularmente competitivos economicamente com os materiais piezotrônicos existentes para a maioria das aplicações práticas.”
Mas um grupo de materiais 2D, os monocalcogenetos dos grupos IV-VI da tabela periódica (compostos binários que combinam estanho ou germânio com selênio ou enxofre), têm capacidade piezoelétrica intrinsecamente alta. Este desempenho impressionante vem de uma estrutura curvada ou “enrugada” do cristal. O seleneto de estanho, em particular, combina boa capacidade piezoelétrica com durabilidade mecânica robusta.
Muitos pesquisadores estão de olho no desenvolvimento de filmes SnSe usando esfoliação mecânica e técnica de crescimento mediado por solução. Estes foram então usados ​​para PENGs em sensores de pH autoalimentados e monitores de força digital.
“Infelizmente, esses métodos de síntese também enfrentaram alguns problemas com a qualidade da amostra”, continuou o Prof. “A técnica limita o tamanho lateral, ou área, do PENG que pode ser produzido, por isso não é muito escalável. E também não é muito controlável.”
Portanto, os pesquisadores queriam ver se a deposição química de vapor (CVD) poderia funcionar. Esta técnica, comumente usada na indústria de semicondutores convencionais, e goza de forte escalabilidade, controlabilidade e, portanto, capacidade de produção em massa, envolve a exposição de uma determinada substância (neste caso, o composto de seleneto de estanho) a um vapor que reage com a substância e subsequentemente produz um depósito de filme fino.
Os pesquisadores implantaram essa técnica para produzir nanofolhas SnSe multicamadas de espessuras variadas e, em seguida, testaram seu desempenho por meio de um microscópio de força de resposta piezo. O com melhor desempenho alcançou uma eficiência de conversão de energia muito superior à dos PENGS feitos de todos os materiais usados ​​anteriormente. Este foi então desenvolvido em um PENG e usado em um sensor autoalimentado para monitorar o movimento humano – um dispositivo conectado ao dedo e ao pulso de um testador humano, testando assim sua flexibilidade.
O dispositivo não apenas continuou com sua excelente saída piezoelétrica, mas também demonstrou a flexibilidade e durabilidade necessárias para um dispositivo vestível.
A equipe de pesquisa espera agora pegar sua prova de conceito e desenvolvê-la em dispositivos de monitoramento de saúde com alimentação própria e comercialmente viáveis.
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Síntese e resposta piezoelétrica aprimorada de nanofolhas em camadas SnSe cultivadas em CVD para nanogeradores flexíveis
Data de publicação do artigo