二硫化錸在兩個主要方向上的壓電效應(yīng)相反

使用光學(xué)和電學(xué)測量，發(fā)現(xiàn)二硫化二錸的二維各向異性晶體沿兩個主軸顯示相反的壓電效應(yīng)，即沿一個軸為正，沿另一個軸為負(fù)。壓電電阻也是可逆的; 它在施加應(yīng)變時出現(xiàn)，但相對阻力在應(yīng)變消除時恢復(fù)到其原始值。預(yù)計(jì)這一新發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致二硫化錸的廣泛應(yīng)用。

在對晶體和某些陶瓷施加壓力等機(jī)械應(yīng)力時，引起與施加的應(yīng)變成比例的表面電荷; 這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)自18世紀(jì)中期就已為人所知，并已發(fā)現(xiàn)用于例如香煙打火機(jī)的點(diǎn)火裝置。今天，它廣泛應(yīng)用于傳感器，執(zhí)行器等。另一方面，當(dāng)機(jī)械應(yīng)變應(yīng)用于半導(dǎo)體材料時，其中一些顯示出電阻的變化，稱為壓阻效應(yīng)。顯示壓阻效應(yīng)的材料用于壓力傳感器，應(yīng)變傳感器等。

二硫化錸(ReS 2)是結(jié)晶成片狀結(jié)構(gòu)的二維(2-D)材料，作為黑色片狀(板狀晶體)，顯示出與厚度無關(guān)的直接帶隙* 1)和各向異性物理性質(zhì)。它被分類為過渡金屬二硫族化合物* 2)亞組。根據(jù)理論計(jì)算，它具有沿不同主軸的兩個各向異性方向。預(yù)測兩個各向異性方向?qū)屋S應(yīng)變的響應(yīng)不同。在驗(yàn)證此屬性后，ReS 2應(yīng)用于準(zhǔn)確檢測和識別多維應(yīng)變/應(yīng)力和手勢，這將在電子皮膚領(lǐng)域* 3)，人機(jī)界面，應(yīng)變傳感器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

來自中國和日本的國際研究團(tuán)隊(duì)，來自天津大學(xué)的劉博士和來自金澤大學(xué)WPI-NanoLSI的楊博士發(fā)揮了重要作用，不僅證實(shí)了二硫化錸的各向異性壓阻效應(yīng)，而且還發(fā)現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象。根據(jù)沿兩個晶軸施加的應(yīng)變方向，ReS 2的2-D器件顯示出相反的，即正和負(fù)壓電阻。

如圖1中示意性描繪的那樣制造ReS 2的 2-D裝置。在使用原子力顯微鏡(AFM)檢查其配置之后，通過光學(xué)和電學(xué)方法研究各向異性特性。

首先，使用由本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的反射差顯微鏡* 4)(RDM)進(jìn)行光學(xué)測量。用來自各個方向的偏振光照射厚度為8nm 的ReS 2器件，以確定2-D晶體的兩個軸向(原理)方向(圖2)。

接下來，使用相同的樣品測量電各向異性，用于沿12個方向以30度的間隔進(jìn)行光學(xué)測量。這些測量還確定了顯示110度差異的兩個主要方向。用另一種ReS 2裝置進(jìn)行相同的測量，但具有不同的厚度(70nm)。后者也產(chǎn)生非常相似的各向異性行為，表明該現(xiàn)象的厚度無關(guān)性質(zhì)。這些結(jié)果與以前的工作一致。

如上確定主軸的2-D晶體ReS 2器件沿主軸夾在一端，另一端以指定速度向固定端移動，即施加壓縮應(yīng)變。該裝置由于應(yīng)變而產(chǎn)生壓電電阻。在一端固定的情況下，當(dāng)另一端的壓縮應(yīng)變恢復(fù)到其原始狀態(tài)時，壓電電阻完全恢復(fù)。

另一方面，當(dāng)沿著另一個主軸進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)時，由于應(yīng)變引起的壓電電阻在施加較大應(yīng)變時較小，而在施加的應(yīng)變較小時增加。使用不同的ReS 2裝置重復(fù)相同的實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果始終一致。因此，ReS 2 2-D晶體器件顯示出相反的，即取決于主軸的正或負(fù)壓電阻。

另外，當(dāng)使用單個裝置的相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)28次時，獲得幾乎相同的結(jié)果。這表明在對ReS 2裝置施加應(yīng)變之后，釋放應(yīng)變允許壓電效應(yīng)返回其原始狀態(tài)。

雖然壓電效應(yīng)是由應(yīng)變引起的帶隙調(diào)節(jié)的結(jié)果，但壓電效應(yīng)是晶格的應(yīng)變依賴性變形的結(jié)果。進(jìn)行了各種電測量，這也表明觀察到的現(xiàn)象是壓電電阻而不是壓電效應(yīng)。

本研究表明，ReS 2 2-D裝置顯示出相反的，即正和負(fù)壓阻，這取決于應(yīng)用應(yīng)變的主軸。在先前的研究中未觀察到取決于主軸的這種正和負(fù)壓電效應(yīng)。因此，本研究首次發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。預(yù)計(jì)這項(xiàng)研究將導(dǎo)致ReS 2廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品，如電子皮膚，人機(jī)界面，應(yīng)變傳感器等。