Figura 1. Esquema de un ReS 2 dispositivo sobre un sustrato de PI flexible, cuyos canales se encuentran a lo largo de los dos ejes principales del ReS 2 escama, respectivamente. ReS 2 las escamas se exfoliaron mecánicamente a partir de cristales a granel y se transfirieron a un sustrato de poliimida flexible. Se transfirieron dos fibras ópticas a la escama, cada uno de los cuales era perpendicular a uno de los ejes anisotrópicos de ReS 2 , respectivamente. Próximo, se depositaron electrodos de titanio / oro (Ti / Au), seguido de un proceso de despegue del filtro óptico. Finalmente, Se conectaron cables de Ag a los electrodos para realizar las mediciones. Crédito:Universidad de Kanazawa
Usando medidas ópticas y eléctricas, Se encontró que un cristal anisotrópico bidimensional de disulfuro de renio muestra efectos piezorresistentes opuestos a lo largo de dos ejes principales, es decir, positivo a lo largo de un eje y negativo a lo largo de otro. La piezorresistencia también fue reversible; apareció tras la aplicación de una cepa, pero la resistencia relativa volvió a su valor original al eliminar la tensión. Se espera que este nuevo hallazgo conduzca a una amplia aplicación de disulfuro de renio.
Tras la aplicación de tensión mecánica, como presión sobre cristales y algunos tipos de cerámica, se induce una carga superficial proporcional a la deformación aplicada; este fenómeno se llama efecto piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico se conoce desde mediados del siglo XVIII y ha encontrado uso, por ejemplo, en el dispositivo de encendido de los encendedores de cigarrillos. Hoy se aplica ampliamente en sensores, actuadores, etc. Por otro lado, cuando se aplica tensión mecánica a materiales semiconductores, algunos de ellos muestran un cambio en la resistencia eléctrica, llamado efecto piezorresistivo. Los materiales que muestran el efecto piezorresistivo se utilizan en sensores de presión, sensores de deformación, etc.
Disulfuro de renio (ReS 2 ) es un material bidimensional (2-D) que cristaliza en una estructura en forma de escamas, como una plaqueta negra (cristal en forma de placa), mostrando bandgap directo independiente del espesor * 1) y propiedades físicas anisotrópicas. Se clasifica en el subgrupo dicalcogenuros de metales de transición * 2). Según cálculos teóricos, tiene dos direcciones anisotrópicas a lo largo de diferentes ejes principales. Se predice que dos direcciones anisotrópicas responderán de manera diferente a una cepa uniaxial. Tras la validación de esta propiedad, ReS 2 debe ser útil en la detección y el reconocimiento precisos de tensión / estrés multidimensional y gestos, que tendrá amplias aplicaciones en los campos de la piel electrónica * 3), interfaces hombre ‒ máquina, sensores de deformación, etc.
Este equipo de investigación internacional de China y Japón, en el que el Dr. Liu de la Universidad de Tianjin y el Dr. Yang de WPI-NanoLSI, Universidad de Kanazawa, jugó papeles importantes, no solo confirmó el efecto piezorresistivo anisotrópico del disulfuro de renio, sino que también descubrió un fenómeno novedoso que, dependiendo de la dirección de la deformación aplicada a lo largo de dos ejes cristalinos, un dispositivo 2-D de ReS 2 mostró lo contrario, es decir, piezorresistencia positiva y negativa.
Un dispositivo 2-D de ReS 2 fue fabricado como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Después de examinar su configuración usando microscopía de fuerza atómica (AFM), Las propiedades anisotrópicas se investigaron mediante métodos ópticos y eléctricos.
Primero, Las mediciones ópticas se realizaron utilizando microscopía de diferencia de reflectancia * 4) (RDM) desarrollada por el presente equipo de investigación. Un dispositivo de ReS 2 con un espesor de 8 nm se irradió con luz polarizada desde varias direcciones para determinar las dos direcciones axiales (principales) del cristal 2-D (Figura 2).
Figura 2. Cambios de resistencia relativa del dispositivo a lo largo de dos ejes en función de la deformación. Muestra el cambio de resistencia relativo de este ReS 2 dispositivo a lo largo de los ejes ayb, respectivamente, en función de la deformación. Como se esperaba, el eje a / b mostró piezorresistencia positiva / negativa y un cambio casi lineal con la deformación. Crédito:Universidad de Kanazawa
Próximo, Se midió la anisotropía eléctrica con la misma muestra para mediciones ópticas a lo largo de 12 direcciones con un espaciado de 30 grados. Estas mediciones también determinaron las dos direcciones principales que mostraron una diferencia de 110 grados. Las mismas medidas se realizaron con otro dispositivo de ReS 2 , pero con un espesor diferente (70 nm). Este último también produjo un comportamiento anisotrópico muy similar, indicando la naturaleza del fenómeno independiente del espesor. Estos resultados son consistentes con trabajos anteriores.
El cristal 2-D ReS 2 dispositivo cuyos ejes principales se determinaron como se indicó anteriormente se sujetó en un extremo a lo largo de un eje principal y el otro extremo se movió hacia el extremo fijo a una velocidad especificada, es decir, se aplicó una deformación compresiva. El dispositivo generó piezorresistencia debido a la tensión. Con un extremo fijo, la piezorresistencia se recuperó por completo cuando la tensión de compresión del otro extremo volvió a su estado original.
Por otra parte, cuando se realizó el mismo experimento a lo largo del otro eje principal, la piezorresistencia debida a la deformación fue menor cuando se aplicó una deformación mayor y aumentó cuando la deformación aplicada fue menor. Se repitió el mismo experimento con diferentes ReS 2 dispositivos, pero los resultados siempre fueron consistentes. Por lo tanto, ReS 2 Los dispositivos cristalinos 2-D mostraron lo contrario, es decir, piezorresistencia positiva o negativa según los ejes principales.
Además, cuando el mismo experimento con un solo dispositivo se repitió 28 veces, se obtuvieron casi los mismos resultados. Esto indica que después de aplicar una tensión al ReS 2 dispositivo, la liberación de la tensión permitió que el efecto piezorresistente volviera a su estado original.
Si bien el efecto piezorresistente es el resultado del ajuste de la banda prohibida inducido por una deformación, el efecto piezoeléctrico es el resultado de una distorsión dependiente de la deformación de la red cristalina. Se realizaron varias mediciones eléctricas, lo que también demostró que el fenómeno observado fue la piezorresistencia y no el efecto piezoeléctrico.
El presente estudio demostró que el ReS 2 Los dispositivos 2-D mostraban lo contrario, es decir, piezorresistencia positiva y negativa dependiendo de los ejes principales a lo largo de los cuales se aplicó una deformación. Tales efectos piezorresistentes positivos y negativos dependiendo de los ejes principales no se observaron en estudios previos. Por lo tanto, el presente estudio es el primero en identificar tal efecto. Se espera que este estudio dé lugar a amplias aplicaciones de ReS 2 a la electrónica, como la piel electrónica, interfaces hombre-máquina, sensores de tensión y así sucesivamente.
