Effets piézorésistants opposés du disulfure de rhénium dans deux directions principales
Figure 1. Schéma d'un ReS 2 dispositif sur un substrat PI souple, dont les canaux sont le long des deux axes principaux de la ReS 2 flocon, respectivement. RéS 2 les flocons ont été exfoliés mécaniquement à partir de cristaux en vrac et transférés sur un substrat de polyimide flexible. Deux fibres optiques ont été transférées sur le flocon, dont chacun était perpendiculaire à l'un des axes anisotropes de ReS 2 , respectivement. Prochain, des électrodes de titane/or (Ti/Au) ont été déposées, suivi d'un processus de décollage du filtre optique. Finalement, Des fils d'Ag ont été connectés aux électrodes pour les mesures. Crédit :Université de Kanazawa
A l'aide de mesures optiques et électriques, un cristal anisotrope bidimensionnel de disulfure de rhénium s'est avéré présenter des effets piézorésistants opposés le long de deux axes principaux, c'est-à-dire positif le long d'un axe et négatif le long d'un autre. La piézorésistance était également réversible; il est apparu lors de l'application d'une souche, mais la résistance relative est revenue à sa valeur d'origine lors de l'élimination de la contrainte. Cette nouvelle découverte devrait conduire à une large application du disulfure de rhénium.
Lors de l'application de contraintes mécaniques telles que la pression sur les cristaux et certains types de céramiques, une charge surfacique proportionnelle à la contrainte appliquée est induite; ce phénomène est appelé effet piézoélectrique. L'effet piézoélectrique est connu depuis le milieu du XVIIIe siècle et a trouvé une utilisation, par exemple, dans le dispositif d'allumage des briquets. Aujourd'hui, il est largement appliqué dans les capteurs, actionneurs, etc. D'autre part, lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée aux matériaux semi-conducteurs, certains d'entre eux montrent un changement de résistance électrique, appelé effet piézorésistif. Des matériaux montrant l'effet piézorésistif sont utilisés dans les capteurs de pression, capteurs de contrainte, etc.
Disulfure de rhénium (ReS 2 ) est un matériau bidimensionnel (2-D) cristallisant en une structure de type flocon, comme une plaquette noire (cristal en forme de plaque), montrant une bande interdite directe indépendante de l'épaisseur*1) et des propriétés physiques anisotropes. Il est classé dans le sous-groupe des dichalcogénures de métaux de transition*2). D'après les calculs théoriques, il a deux directions anisotropes le long d'axes principaux différents. On prévoit que deux directions anisotropes réagiront différemment à une déformation uniaxiale. A la validation de cette propriété, RéS 2 devrait être utile dans la détection et la reconnaissance précises de la contrainte/du stress et des gestes multidimensionnels, qui aura de larges applications dans les domaines de la peau électronique*3), interfaces homme-machine, capteurs de contrainte, etc.
Cette équipe de recherche internationale de Chine et du Japon, dans lequel le Dr Liu de l'Université de Tianjin et le Dr Yang de WPI-NanoLSI, Université de Kanazawa, joué des rôles importants, a non seulement confirmé l'effet piézorésistif anisotrope du disulfure de rhénium, mais a également découvert un nouveau phénomène qui, en fonction de la direction de la déformation appliquée selon deux axes cristallins, un appareil 2-D de ReS 2 montré ci-contre, c'est-à-dire une piézorésistance positive et négative.
Un appareil 2-D de ReS 2 a été fabriqué comme représenté schématiquement sur la figure 1. Après avoir examiné sa configuration à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM), les propriétés anisotropes ont été étudiées par des méthodes optiques et électriques.
D'abord, les mesures optiques ont été effectuées à l'aide de la microscopie à différence de réflectance*4) (RDM) développée par la présente équipe de recherche. Un appareil de ReS 2 avec une épaisseur de 8 nm a été irradié avec une lumière polarisée provenant de diverses directions pour déterminer les deux directions axiales (principale) du cristal 2-D (Figure 2).
Figure 2. Changements relatifs de résistance de l'appareil le long de deux axes en fonction de la déformation. Il montre le changement de résistance relative de ce ReS 2 dispositif le long des axes a et b, respectivement, en fonction de la contrainte. Comme prévu, l'axe a/b a montré une piézorésistance positive/négative et un changement presque linéaire avec la souche. Crédit :Université de Kanazawa
Prochain, l'anisotropie électrique a été mesurée avec le même échantillon pour des mesures optiques dans 12 directions avec un espacement de 30 degrés. Ces mesures ont également déterminé les deux directions principales qui ont montré une différence de 110 degrés. Les mêmes mesures ont été réalisées avec un autre appareil de ReS 2 , mais avec une épaisseur différente (70 nm). Ce dernier a également donné un comportement anisotrope très similaire, indiquant la nature indépendante de l'épaisseur du phénomène. Ces résultats sont cohérents avec les travaux antérieurs.
Le cristal 2D ReS 2 le dispositif dont les axes principaux ont été déterminés comme ci-dessus était serré à une extrémité le long d'un axe principal et l'autre extrémité était déplacée vers l'extrémité fixe à une vitesse spécifiée, c'est-à-dire qu'une contrainte de compression a été appliquée. Le dispositif a généré une piézorésistance due à la contrainte. Avec une extrémité fixée, la piézorésistance s'est complètement rétablie lorsque la contrainte de compression de l'autre extrémité a été ramenée à son état d'origine.
D'autre part, lorsque la même expérience a été réalisée le long de l'autre axe principal, la piézorésistance due à la déformation était plus faible lorsqu'une déformation plus importante était appliquée et augmentait lorsque la déformation appliquée était plus faible. La même expérience a été répétée avec différents ReS 2 dispositifs, mais les résultats étaient toujours cohérents. Ainsi, RéS 2 Les dispositifs cristallins 2-D ont montré ci-contre, c'est-à-dire piézorésistance positive ou négative selon les axes principaux.
En outre, lorsque la même expérience utilisant un seul appareil a été répétée 28 fois, presque les mêmes résultats ont été obtenus. Cela indique qu'après avoir appliqué une contrainte au ReS 2 dispositif, la libération de la souche a permis à l'effet piézorésistant de revenir à son état d'origine.
Alors que l'effet piézorésistant est le résultat de l'ajustement de la bande interdite induit par une contrainte, l'effet piézoélectrique est le résultat d'une distorsion dépendante de la contrainte du réseau cristallin. Diverses mesures électriques ont été effectuées, ce qui a également démontré que le phénomène observé était la piézorésistance et non l'effet piézoélectrique.
La présente étude a démontré que le ReS 2 Les appareils 2-D ont montré ci-contre, c'est-à-dire une piézorésistance positive et négative selon les axes principaux le long desquels une contrainte a été appliquée. De tels effets piézorésistants positifs et négatifs selon les axes principaux n'ont pas été observés dans les études précédentes. Ainsi, la présente étude est la première à identifier un tel effet. Il est prévu que cette étude conduira à de larges applications de ReS 2 à l'électronique, tels que la peau électronique, interfaces homme-machine, capteurs de contrainte et ainsi de suite.
