Met behulp van optische en elektrische metingen, een tweedimensionaal anisotroop kristal van rheniumdisulfide bleek tegengestelde piëzoresistente effecten te vertonen langs twee hoofdassen, d.w.z. positief langs de ene as en negatief langs een andere. Piëzoweerstand was ook omkeerbaar; het verscheen na toepassing van een stam, maar de relatieve weerstand keerde terug naar zijn oorspronkelijke waarde bij het verwijderen van de spanning. Deze nieuwe bevinding zal naar verwachting leiden tot een brede toepassing van rheniumdisulfide.

Bij toepassing van mechanische spanning zoals druk op kristallen en sommige soorten keramiek, een oppervlaktelading die evenredig is met de uitgeoefende spanning wordt geïnduceerd; dit fenomeen wordt het piëzo-elektrische effect genoemd. Het piëzo-elektrische effect is bekend sinds het midden van de 18e eeuw en heeft gebruik gevonden, bijvoorbeeld, in het ontstekingsapparaat van sigarettenaanstekers. Tegenwoordig wordt het veel toegepast in sensoren, actuatoren, enz. Aan de andere kant, wanneer mechanische spanning wordt uitgeoefend op halfgeleidende materialen, sommige vertonen een verandering in elektrische weerstand, het piëzoresistieve effect genoemd. Materialen die het piëzoresistieve effect vertonen, worden gebruikt in druksensoren, spanningssensoren enz.

Rheniumdisulfide (ReS ₂ ) is een tweedimensionaal (2-D) materiaal dat kristalliseert tot een vlokachtige structuur, als een zwart bloedplaatje (plaatachtig kristal), met dikte-onafhankelijke directe bandgap*1) en anisotrope fysische eigenschappen. Het is ingedeeld in de subgroep overgangsmetaal dichalcogenides*2). Volgens theoretische berekeningen het heeft twee anisotrope richtingen langs verschillende hoofdassen. Er wordt voorspeld dat twee anisotrope richtingen verschillend reageren op een uniaxiale rek. Na validatie van deze eigenschap, ReS ₂ moet nuttig zijn bij de nauwkeurige detectie en herkenning van multidimensionale spanning / stress en gebaren, die brede toepassingen zal hebben op het gebied van elektronische skin*3), mens-machine-interfaces, spanningssensoren enz.

Dit internationale onderzoeksteam uit China en Japan, waarin Dr. Liu van Tianjin University en Dr. Yang van WPI-NanoLSI, Kanazawa-universiteit, belangrijke rollen gespeeld, bevestigde niet alleen het anisotrope piëzoresistieve effect van rheniumdisulfide, maar ontdekte ook een nieuw fenomeen dat, afhankelijk van de richting van de spanning uitgeoefend langs twee kristallijne assen, een 2D-apparaat van ReS ₂ tegenovergesteld, d.w.z. positieve en negatieve piëzoweerstand.

Een 2D-apparaat van ReS ₂ werd gefabriceerd zoals schematisch weergegeven in figuur 1. Na het onderzoeken van de configuratie met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM), anisotrope eigenschappen werden onderzocht met zowel optische als elektrische methoden.

Eerst, optische metingen werden uitgevoerd met behulp van reflectieverschilmicroscopie*4) (RDM) ontwikkeld door het huidige onderzoeksteam. Een apparaat van ReS ₂ met een dikte van 8 nm werd bestraald met gepolariseerd licht uit verschillende richtingen om de twee axiale (principiële) richtingen van het 2-D-kristal te bepalen (Figuur 2).

Volgende, elektrische anisotropie werd gemeten met hetzelfde monster voor optische metingen in 12 richtingen met een tussenruimte van 30 graden. Deze metingen bepaalden ook de twee hoofdrichtingen die een verschil van 110 graden vertoonden. Dezelfde metingen werden uitgevoerd met een ander apparaat van ReS ₂ , maar met een andere dikte (70 nm). De laatste leverde ook zeer vergelijkbaar anisotroop gedrag op, wat de dikte-onafhankelijke aard van het fenomeen aangeeft. Deze resultaten komen overeen met eerder werk.

Het 2-D kristal ReS ₂ apparaat waarvan de hoofdassen werden bepaald zoals hierboven werd vastgeklemd aan het ene uiteinde langs een hoofdas en het andere uiteinde werd met een gespecificeerde snelheid naar het vaste uiteinde bewogen, d.w.z. een compressieve spanning werd toegepast. Het apparaat genereerde piëzoweerstand vanwege de spanning. Met één uiteinde vast, piëzoweerstand herstelde volledig wanneer de drukspanning van het andere uiteinde in zijn oorspronkelijke staat werd teruggebracht.

Anderzijds, toen hetzelfde experiment werd uitgevoerd langs de andere hoofdas, de piëzoweerstand als gevolg van de rek was kleiner wanneer een grotere rek werd uitgeoefend en nam toe wanneer de uitgeoefende rek kleiner was. Hetzelfde experiment werd herhaald met verschillende ReS ₂ apparaten, maar de resultaten waren altijd consistent. Dus, ReS ₂ 2-D kristallijne apparaten toonden het tegenovergestelde, d.w.z. positieve of negatieve piëzoweerstand, afhankelijk van de hoofdassen.

In aanvulling, toen hetzelfde experiment met een enkel apparaat 28 keer werd herhaald, nagenoeg dezelfde resultaten werden verkregen. Dit geeft aan dat na het aanbrengen van een spanning op de ReS ₂ apparaat, het vrijgeven van de stam zorgde ervoor dat het piëzoresistente effect terugkeerde naar zijn oorspronkelijke staat.

Hoewel het piëzoresistente effect het resultaat is van de aanpassing van de bandgap die wordt veroorzaakt door een spanning, het piëzo-elektrische effect is het resultaat van een spanningsafhankelijke vervorming van het kristalrooster. Er zijn diverse elektrische metingen gedaan, wat ook aantoonde dat het waargenomen fenomeen piëzoweerstand was en niet het piëzo-elektrische effect.

De huidige studie toonde aan dat de ReS ₂ 2D-apparaten toonden het tegenovergestelde, d.w.z. positieve en negatieve piëzoweerstand afhankelijk van de hoofdassen waarlangs een spanning werd uitgeoefend. Dergelijke positieve en negatieve piëzoresistente effecten, afhankelijk van de hoofdassen, werden in eerdere studies niet waargenomen. Dus, de huidige studie is de eerste die een dergelijk effect identificeert. De verwachting is dat deze studie zal leiden tot brede toepassingen van ReS ₂ naar elektronica, zoals elektronische huid, mens-machine-interfaces, spanningssensoren enzovoort.