Figura 1. Schema di un ReS 2 dispositivo su un substrato PI flessibile, i cui canali si trovano lungo i due assi principali del ReS 2 fiocco, rispettivamente. ReS 2 i fiocchi sono stati esfoliati meccanicamente da cristalli sfusi e trasferiti su un substrato di poliimmide flessibile. Sul fiocco sono state trasferite due fibre ottiche, ciascuno dei quali era perpendicolare ad uno degli assi anisotropi di ReS 2 , rispettivamente. Prossimo, sono stati depositati elettrodi di titanio/oro (Ti/Au), seguito da un processo di sollevamento del filer ottico. Finalmente, I fili di Ag sono stati collegati agli elettrodi per le misurazioni. Credito:Università di Kanazawa
Utilizzando misurazioni ottiche ed elettriche, è stato scoperto che un cristallo anisotropo bidimensionale di disolfuro di renio mostra effetti piezoresistenti opposti lungo due assi principali, cioè positivo lungo un asse e negativo lungo un altro. Anche la piezoresistenza era reversibile; è apparso su applicazione di un ceppo, ma la resistenza relativa è tornata al suo valore originale alla rimozione della deformazione. Questa nuova scoperta dovrebbe portare a un'ampia applicazione del disolfuro di renio.
Dopo l'applicazione di sollecitazioni meccaniche come la pressione sui cristalli e su alcuni tipi di ceramica, viene indotta una carica superficiale proporzionale alla deformazione applicata; questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico è noto fin dalla metà del XVIII secolo e ha trovato impiego, Per esempio, nel dispositivo di accensione degli accendisigari. Oggi è ampiamente applicato nei sensori, attuatori, ecc. D'altra parte, quando la deformazione meccanica viene applicata a materiali semiconduttori, alcuni di loro mostrano un cambiamento nella resistenza elettrica, chiamato effetto piezoresistivo. I materiali che mostrano l'effetto piezoresistivo sono utilizzati nei sensori di pressione, sensori di deformazione ecc.
Disolfuro di renio (ReS 2 ) è un materiale bidimensionale (2-D) che cristallizza in una struttura a scaglie, come una piastrina nera (cristallo simile a una lastra), mostrando bandgap diretto indipendente dallo spessore*1) e proprietà fisiche anisotrope. È classificato nel sottogruppo dei dichalcogenuri di metalli di transizione*2). Secondo calcoli teorici, ha due direzioni anisotrope lungo diversi assi principali. Si prevede che due direzioni anisotrope rispondano in modo diverso a una deformazione uniassiale. Dopo la convalida di questa proprietà, ReS 2 dovrebbe essere utile nella rilevazione e nel riconoscimento accurati di sforzi/stress multidimensionali e gesti, che avrà ampie applicazioni nei campi della skin elettronica*3), interfacce uomo-macchina, sensori di deformazione ecc.
Questo gruppo di ricerca internazionale dalla Cina e dal Giappone, in cui il Dr. Liu dell'Università di Tianjin e il Dr. Yang del WPI-NanoLSI, Università di Kanazawa, svolto ruoli importanti, non solo ha confermato l'effetto piezoresistivo anisotropo del disolfuro di renio, ma ha anche scoperto un nuovo fenomeno che, a seconda della direzione della deformazione applicata lungo due assi cristallini, un dispositivo 2-D di ReS 2 mostrato opposto, cioè piezoresistenza positiva e negativa.
Un dispositivo 2-D di ReS 2 è stato fabbricato come schematicamente illustrato nella Figura 1. Dopo aver esaminato la sua configurazione utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM), le proprietà anisotrope sono state studiate con metodi sia ottici che elettrici.
Primo, le misurazioni ottiche sono state eseguite utilizzando la microscopia a differenza di riflettanza*4) (RDM) sviluppata dal presente gruppo di ricerca. Un dispositivo di ReS 2 con uno spessore di 8 nm è stato irradiato con luce polarizzata da varie direzioni per determinare le due direzioni assiali (principali) del cristallo 2-D (Figura 2).
Figura 2. Variazioni relative della resistenza del dispositivo lungo due assi in funzione della deformazione. Mostra la variazione di resistenza relativa di questo ReS 2 dispositivo lungo gli assi a e b, rispettivamente, in funzione del ceppo. Come previsto, l'asse a/b ha mostrato una piezoresistenza positiva/negativa e un cambiamento quasi lineare con il ceppo. Credito:Università di Kanazawa
Prossimo, l'anisotropia elettrica è stata misurata con lo stesso campione per misure ottiche lungo 12 direzioni con una distanza di 30 gradi. Queste misurazioni hanno anche determinato le due direzioni principali che hanno mostrato una differenza di 110 gradi. Le stesse misurazioni sono state effettuate con un altro dispositivo di ReS 2 , ma con uno spessore diverso (70 nm). Quest'ultimo ha anche prodotto un comportamento anisotropo molto simile, indicando la natura indipendente dallo spessore del fenomeno. Questi risultati sono coerenti con il lavoro precedente.
Il cristallo 2-D ReS 2 il dispositivo i cui assi principali sono stati determinati come sopra è stato bloccato ad un'estremità lungo un asse principale e l'altra estremità è stata spostata verso l'estremità fissa ad una velocità specificata, cioè è stata applicata una deformazione di compressione. Il dispositivo ha generato piezoresistenza a causa dello sforzo. Con un'estremità fissa, la piezoresistenza ha recuperato completamente quando la deformazione di compressione dell'altra estremità è stata riportata al suo stato originale.
D'altra parte, quando lo stesso esperimento è stato eseguito lungo l'altro asse principale, la piezoresistenza dovuta alla deformazione era minore quando veniva applicata una deformazione maggiore e aumentava quando la deformazione applicata era minore. Lo stesso esperimento è stato ripetuto con ReS . differenti 2 dispositivi, ma i risultati sono stati sempre coerenti. Così, ReS 2 I dispositivi cristallini 2-D hanno mostrato l'opposto, cioè piezoresistenza positiva o negativa a seconda degli assi principali.
Inoltre, quando lo stesso esperimento utilizzando un singolo dispositivo è stato ripetuto 28 volte, sono stati ottenuti quasi gli stessi risultati. Ciò indica che dopo aver applicato un ceppo al ReS 2 dispositivo, il rilascio del ceppo ha permesso all'effetto piezoresistente di tornare al suo stato originale.
Mentre l'effetto piezoresistente è il risultato della regolazione del bandgap indotta da uno sforzo, l'effetto piezoelettrico è il risultato di una distorsione del reticolo cristallino dipendente dalla deformazione. Sono state eseguite varie misurazioni elettriche, che ha anche dimostrato che il fenomeno osservato era la piezoresistenza e non l'effetto piezoelettrico.
Il presente studio ha dimostrato che ReS 2 I dispositivi 2-D hanno mostrato l'opposto, cioè piezoresistenza positiva e negativa a seconda degli assi principali lungo i quali è stata applicata una deformazione. Tali effetti piezoresistenti positivi e negativi a seconda degli assi principali non sono stati osservati in studi precedenti. Così, il presente studio è il primo ad identificare un tale effetto. Si prevede che questo studio porterà ad ampie applicazioni di ReS 2 all'elettronica, come la pelle elettronica, interfacce uomo-macchina, sensori di deformazione e così via.
