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二硫化铼在两个晶轴上具有相反方向的压电效应

2019年07月01日 电子电气

【摘要】

由中国天津大学的Liu Jing博士和日本金泽大学WPI-NanoLSI的Yang Lei博士等组成国际研究团队,证实了二硫化铼(ReS2)的各向异性压阻*1 效应,并且发现了一种新的现象:该材料沿两个不同经轴方向施加应变*2 时显示出相反的压阻效应,即沿一个轴为正,沿另一个轴则为负。该团队使用光学和电学测量方法,发现该材料的这种二维各向异性*3 晶体压电电阻是可逆的:它在施加应变时出现,但在应变消除时恢复到其原始值。

该研究表明,ReS2二维器件显示出取决于所施加应变主轴方向的相反的正和负的压阻。这是首次发现该效应。这项研究将推进ReS2应用于电子产品,如电子皮肤,人机接口,应变传感器等方面。

【背景】

在对晶体材料和某些陶瓷施加压力等机械应力时,会带来与施加的应变成比例的表面电荷,这种现象称为压电效应。压电效应自18世纪中期就已为人所知,并早已应用于打火机的点火装置等,近年来也广泛应用于传感器、制动器等。另一方面,当机械应变应用于半导体材料时,有些材料会显示出电阻的变化,这种现象称为压阻效应。具有压阻效应的材料被应用于压力传感器,应变传感器等。

二硫化铼在两个晶轴上具有相反方向的压电效应

图1 柔性PI衬底上的ReS2器件示意图,其通道分别沿ReS2薄片的两个主轴

制作过程:将ReS2薄片从晶体中剥离并转移到柔性聚酰亚胺基底上,然后将两根光纤转移到薄片上,然后沉积钛/金(Ti / Au)电极,以及进行光学剥离工艺,最后将Ag线连接到电极上进行测量。

二硫化铼是一种以层状结构结晶的二维(2D)材料,其展现出与厚度无关的直接带隙*4 和各向异性的物理性质。在化合物分类上,它属于过渡金属二硫族化合物*5 分组。根据理论计算,该材料沿不同主轴有着两个各向异性的方向。根据预测,这两个各向异性的方向对单轴应变会有不同的响应。一旦这一特性被验证,ReS2将可用于多维应变/应力和动作的精确检测和识别,进而广泛应用到电子皮肤领域*6 ,人机接口,应变传感器等领域。

【结果】

ReS2二维器件组装过程如图1所示。在用原子力显微镜(AFM)检查了其构造之后,该国际研究团队对该器件的各向异性特性通过光学和电学方法进行了考察。

首先,该研究团队使用自己开发的反射差显微镜*7(RDM)对其进行了光学各向异性的测量,用从各个方向入射的偏振光照射厚度为8nm的ReS2器件,以确定二维晶体的两个主轴方向。

然后,沿12个方向以30度的间隔对同一样品进行电学各向异性的测量,确定了有着110度差异的两个主轴方向。同时也对另一种具有不同厚度(70nm)的ReS2器件进行了相同的测量,同样也产生了非常相似的各向异性行为,说明该现象与厚度无关。

二硫化铼在两个晶轴上具有相反方向的压电效应

图2 器件沿两个轴的相对电阻变化与施加应变的关系

该图显示了ReS2器件在各种应变条件下沿a轴和b轴的相对电阻变化,可以看出a / b轴显示正/负压阻效应,并且随应变呈线性变化。

将上述步骤中被确定主轴的二维晶体ReS2器件所在衬底的一端夹住,另一端则以特定速度沿主轴向固定端靠近,即可施加压缩应变,该器件因为应变而产生与应变正相关压阻。即当应变为压应变时,所引起的压阻为正数,并且压阻随应变增加而线性增加;当应变为拉应变时,则所引起的压阻为负数,并且压阻也随应变增加而线性增加。在衬底一端固定的情况下,当另一端的压缩应变恢复到其原始状态时,压电电阻则也会完全恢复到零。

然而,当沿着另一个主轴进行相同实验时,压应变引起的压阻为负数,而拉应变引起的压阻为正数,即压阻与应变呈负相关。使用不同的ReS2器件重复相同实验时得到的结果始终一致。因此,该ReS2二维晶体器件显示出相反的,取决于主轴方向的正或负压电阻。

另外,当用相同器件重复相同实验28次时,获得的结果也几乎相同。这表明在施加应变之后,释放应变会让压电效应返回其原始状态。

通过实验和理论计算表明,该压阻效应是由应变引起的带隙调节所致。然而压电效应是应变导致的晶格畸变所致,该团队进行了各种电学测量,证明了所观察到的现象是压阻而不是压电效应。

(日文新闻发布全文)

文:JST 客观日本编辑部翻译整理

【注解】(*1-4、6引自wikipedia)
*1 压阻:压电电阻,描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。
*2 应变:在力学中定义为一微小材料元素承受应力时所产生的变形强度。
*3 各项异性:或作各向异性,与各向同性相反,指物体的全部或部分物理、化学等性质随方向的不同而有所变化的特性,例如石墨单晶的电导率在不同方向的差异可达数千倍。
*4 直接带隙:如果半导体材料中导带和价带中的电子和空穴的动能相同的话,则该半导体可以称之为直接带隙半导体。其导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中同一位置,电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴(形成半满能带)只需要吸收能量。常见半导体材料中,GaAs和InAs是直接带隙半导体,而Si,Ge则是间接带隙半导体。
*5 过渡族金属二硫族化合物:硫属化物由至少一种硫属元素(氧族元素,包括硫)阴离子和至少一种正电性元素组成的化合物。 ReS2有两个硫原子与Re原子键合,Re为过渡族金属,又由于该分子具有两个硫原子,因此称为过渡族金属二硫化物。
*6 电子皮肤:电子皮肤是一类柔韧、可拉伸、能够自我修复的电子产品,它能够模仿人类或动物皮肤的功能。电子皮肤通常具有感知能力,它旨在重现人类皮肤响应环境因素变化的能力(如热量和压力的变化)。
*7 反射差显微镜:能够测量具有不同线性偏振的两束光的反射差异的设备,由该团队开发。

相关研究成果已于2019年3月在 ACS Nano上发表。文章原标题:The Opposite Anisotropic Piezoresistive Effect of ReS2 (ReS2相反各向异性的压阻效应)
作者:Chunhua AN, Zhihao XU, Wanfu SHEN, Rongjie ZHANG, Zhaoyang SUN, Shuijing TANG, Yun-Feng XIAO, Daihua ZHANG, Dong SUN, Xiaodong HU, Chunguang HU, Lei YANG, and Jing LIU
ACS Nano, 2019, 133, 3310-3319
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b09161

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