Figur 1. Schematisk över ett ReS 2 enhet på ett flexibelt PI -underlag, vars kanaler är längs de två principaxlarna för ReS 2 flaga, respektive. ReS 2 flingor exfolierades mekaniskt från bulkkristaller och överfördes till ett flexibelt polyimidsubstrat. Två optiska fibrer överfördes till flingan, var och en var vinkelrät mot en av ReS anisotropa axlar 2 , respektive. Nästa, titan/guld (Ti/Au) elektroder deponerades, följt av en optisk filers lyftningsprocess. Till sist, Ag -trådar var anslutna till elektroderna för mätningar. Upphovsman:Kanazawa University
Med hjälp av optiska och elektriska mätningar, en tvådimensionell anisotrop kristall av rheniumdisulfid visade sig visa motsatta piezoresistanta effekter längs två principaxlar, dvs. positivt längs en axel och negativt längs en annan. Piezoresistansen var också reversibel; det dök upp vid applicering av en stam, men det relativa motståndet återvände till sitt ursprungliga värde vid borttagning av stam. Denna nya upptäckt förväntas leda till bred tillämpning av rheniumdisulfid.
Vid applicering av mekanisk påfrestning såsom tryck på kristaller och vissa typer av keramik, en ytladdning proportionell mot den applicerade stammen induceras; detta fenomen kallas den piezoelektriska effekten. Den piezoelektriska effekten har varit känd sedan mitten av 1700-talet och har funnits användning, till exempel, i cigarettändarens tändning. Idag används den i stor utsträckning i sensorer, ställdon, etc. Å andra sidan, när mekanisk belastning appliceras på halvledande material, några av dem visar en förändring i det elektriska motståndet, kallad piezoresistiv effekt. Material som visar den piezoresistiva effekten används i trycksensorer, töjningssensorer etc.
Rhenium disulfide (ReS 2 ) är ett tvådimensionellt (2-D) material som kristalliserar till en flingliknande struktur, som en svart trombocyt (tallriksliknande kristall), som visar tjockleksoberoende direkt bandgap*1) och anisotropa fysiska egenskaper. Det klassificeras i undergruppen övergångsmetalldykalkogenider*2). Enligt teoretiska beräkningar, den har två anisotropa riktningar längs olika principaxlar. Två anisotropa riktningar förutspås reagera annorlunda på en enaxlig stam. Vid validering av denna egendom, ReS 2 bör vara användbar vid exakt upptäckt och igenkänning av flerdimensionell belastning/stress och gester, som kommer att ha breda tillämpningar inom områdena elektronisk hud*3), mänskliga ‒ maskingränssnitt, töjningssensorer etc.
Detta internationella forskargrupp från Kina och Japan, där Dr. Liu från Tianjin University och Dr. Yang från WPI-NanoLSI, Kanazawa universitet, spelat viktiga roller, bekräftade inte bara den anisotropa piezoresistiva effekten av rheniumdisulfid utan upptäckte också ett nytt fenomen som, beroende på töjningsriktningen som appliceras längs två kristallina axlar, en 2-D-enhet av ReS 2 visade motsatsen, dvs positiv och negativ piezoresistans.
En 2-D-enhet av ReS 2 tillverkades som schematiskt avbildat i figur 1. Efter att ha undersökt dess konfiguration med hjälp av atomkraftmikroskopi (AFM), anisotropa egenskaper undersöktes med både optiska och elektriska metoder.
Först, optiska mätningar utfördes med användning av reflektansdifferensmikroskopi*4) (RDM) utvecklat av föreliggande forskargrupp. En enhet av ReS 2 med en 8 nm tjocklek bestrålades med polariserat ljus från olika riktningar för att bestämma de två axiella (princip) riktningarna för 2-D-kristallen (figur 2).
Figur 2. Relativa resistansförändringar av anordningen längs två axlar som en funktion av töjning. Det visar den relativa motståndsförändringen av detta ReS 2 enhet längs a- och b-axlarna, respektive, som en funktion av stammen. Som förväntat, a/b-axeln visade positiv/negativ piezoresistans och nästan linjär förändring med stammen. Upphovsman:Kanazawa University
Nästa, elektrisk anisotropi mättes med samma prov för optiska mätningar längs 12 riktningar med ett avstånd på 30 grader. Dessa mätningar bestämde också de två principriktningarna som visade en 110 graders skillnad. Samma mätningar utfördes med en annan enhet av ReS 2 , men med en annan tjocklek (70 nm). Det senare gav också mycket liknande anisotropiskt beteende, indikerar fenomenets tjockleksoberoende karaktär. Dessa resultat överensstämmer med tidigare arbete.
2-D kristall ReS 2 anordning vars principaxlar bestämdes enligt ovan klämdes fast i ena änden längs en principaxel och den andra änden fördes mot den fasta änden med en specificerad hastighet, dvs en tryckstam applicerades. Enheten genererade piezoresistans på grund av belastningen. Med ena änden fixerad, piezoresistansen återhämtade sig helt när kompressionsstammen i den andra änden återfördes till sitt ursprungliga tillstånd.
Å andra sidan, när samma experiment utfördes längs den andra principaxeln, piezoresistansen på grund av töjningen var mindre när en större stam applicerades och ökade när den applicerade stammen var mindre. Samma experiment upprepades med olika ReS 2 enheter, men resultaten var alltid konsekventa. Således, ReS 2 2-D kristallina enheter visade motsatt, dvs positiv eller negativ piezoresistans beroende på principaxlarna.
Dessutom, när samma experiment med en enda enhet upprepades 28 gånger, nästan samma resultat erhölls. Detta indikerar att efter applicering av en stam på ReS 2 enhet, släppa stammen tillät den piezoresistanta effekten att återgå till sitt ursprungliga tillstånd.
Medan den piezoresistanta effekten är ett resultat av bandgapjusteringen som induceras av en stam, den piezoelektriska effekten är ett resultat av en töjningsberoende förvrängning av kristallgitteret. Olika elektriska mätningar utfördes, som också visade att det observerade fenomenet var piezoresistans och inte den piezoelektriska effekten.
Föreliggande studie visade att ReS 2 2-D-enheter visade motsatt, dvs positiv och negativ piezoresistans beroende på principaxlarna längs vilka en stam applicerades. Sådana positiva och negativa piezoresistanta effekter beroende på principaxlarna observerades inte i tidigare studier. Således, föreliggande studie är den första som identifierar en sådan effekt. Det förväntas att denna studie kommer att leda till stora tillämpningar av ReS 2 till elektronik, såsom elektronisk hud, gränssnitt mellan människa och maskin, töjningssensorer och så vidare.
