Modsatte piezoresistente virkninger af rheniumdisulfid i to principielle retninger

Ved hjælp af optiske og elektriske målinger, en todimensionel anisotropisk krystal af rheniumdisulfid viste sig at vise modsatte piezoresistente virkninger langs to hovedakser, dvs. positiv langs en akse og negativ langs en anden. Piezoresistens var også reversibel; det viste sig ved påføring af en stamme, men den relative modstand vendte tilbage til sin oprindelige værdi ved belastningsfjernelse. Dette nye fund forventes at føre til bred anvendelse af rheniumdisulfid.

Ved påføring af mekanisk belastning såsom tryk på krystaller og nogle slags keramik, en overfladeladning, der er proportional med den påførte belastning, induceres; dette fænomen kaldes den piezoelektriske effekt. Den piezoelektriske effekt har været kendt siden midten af ​​det 18. århundrede og har fundet anvendelse, for eksempel, i tændingsanordningen på cigarettændere. I dag er det udbredt i sensorer, aktuatorer, osv. På den anden side, når der påføres mekanisk belastning på halvledende materialer, nogle af dem viser en ændring i elektrisk modstand, kaldet den piezoresistive effekt. Materialer, der viser den piezoresistive effekt, bruges i tryksensorer, belastningssensorer mv.

Rheniumdisulfid (ReS ₂ ) er et todimensionelt (2-D) materiale, der krystalliserer til en flagelignende struktur, som en sort blodplade (pladelignende krystal), viser tykkelsesuafhængig direkte båndgab*1) og anisotrope fysiske egenskaber. Det er klassificeret i overgangsmetal dichalcogenides*2) undergruppen. Ifølge teoretiske beregninger, den har to anisotrope retninger langs forskellige principakser. To anisotrope retninger forventes at reagere forskelligt på en enakset stamme. Ved validering af denne ejendom, ReS ₂ bør være nyttig til nøjagtig detektion og genkendelse af multidimensionel belastning/stress og gestus, som vil have brede anvendelsesmuligheder inden for elektronisk hud*3), menneskelige ‒ maskine -grænseflader, belastningssensorer osv.

Dette internationale forskerhold fra Kina og Japan, hvor Dr. Liu fra Tianjin University og Dr. Yang fra WPI-NanoLSI, Kanazawa Universitet, spillede vigtige roller, bekræftede ikke kun den anisotropiske piezoresistive virkning af rheniumdisulfid, men opdagede også et nyt fænomen, der, afhængig af belastningsretningen påført langs to krystallinske akser, en 2-D enhed af ReS ₂ viste det modsatte, dvs. positiv og negativ piezoresistens.

En 2-D enhed af ReS ₂ blev fremstillet som skematisk afbildet i figur 1. Efter at have undersøgt dens konfiguration ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM), anisotrope egenskaber blev undersøgt ved både optiske og elektriske metoder.

Først, optiske målinger blev udført ved hjælp af refleksionsdifferensmikroskopi*4) (RDM) udviklet af det nuværende forskerhold. En enhed af ReS ₂ med en 8 nm tykkelse blev bestrålet med polariseret lys fra forskellige retninger for at bestemme de to aksiale (principielle) retninger af 2-D krystallen (figur 2).

Næste, elektrisk anisotropi blev målt med den samme prøve til optiske målinger i 12 retninger med et mellemrum på 30 grader. Disse målinger bestemte også de to principielle retninger, som viste en forskel på 110 grader. De samme målinger blev udført med en anden enhed af ReS ₂ , men med en anden tykkelse (70 nm). Sidstnævnte gav også meget lignende anisotropisk adfærd, angiver den tykkelsesuafhængige karakter af fænomenet. Disse resultater stemmer overens med tidligere arbejde.

2-D krystal ReS ₂ en enhed, hvis hovedakser blev bestemt som ovenfor, blev fastspændt i den ene ende langs en principakse, og den anden ende blev flyttet mod den faste ende med en bestemt hastighed, dvs. en trykspænding blev påført. Enheden genererede piezoresistens på grund af belastningen. Med den ene ende fast, piezoresistensen genvandt sig fuldstændigt, da trykbelastningen i den anden ende blev returneret til sin oprindelige tilstand.

På den anden side, når det samme eksperiment blev udført langs den anden hovedakse, piezomodstanden på grund af belastningen var mindre, når en større belastning blev påført og øget, når den påførte belastning var mindre. Det samme eksperiment blev gentaget med forskellige ReS ₂ enheder, men resultaterne var altid konsistente. Dermed, ReS ₂ 2-D krystallinske enheder viste det modsatte, dvs. positiv eller negativ piezomodstand afhængig af hovedakserne.

Ud over, når det samme eksperiment med en enkelt enhed blev gentaget 28 gange, der blev opnået næsten de samme resultater. Dette indikerer, at efter påføring af en belastning på ReS ₂ enhed, frigivelse af stammen gjorde det muligt for den piezoresistente effekt at vende tilbage til sin oprindelige tilstand.

Mens den piezoresistente effekt er et resultat af båndgab-justeringen induceret af en belastning, den piezoelektriske effekt er et resultat af en belastningsafhængig forvrængning af krystalgitteret. Der blev udført forskellige elektriske målinger, bl. hvilket også viste, at det observerede fænomen var piezoresistens og ikke den piezoelektriske effekt.

Nærværende undersøgelse viste, at ReS ₂ 2-D-enheder viste modsat, dvs. positiv og negativ piezomodstand afhængig af de principielle akser, langs hvilke en belastning blev påført. Sådanne positive og negative piezoresistente effekter afhængigt af de principielle akser blev ikke observeret i tidligere undersøgelser. Dermed, denne undersøgelse er den første til at identificere en sådan effekt. Det forventes, at denne undersøgelse vil føre til brede anvendelser af ReS ₂ til elektronik, såsom elektronisk hud, grænseflader mellem mennesker og maskiner, belastningssensorer og så videre.