【摘要】
由中國天津大學的Liu Jing博士和日本金澤大學WPI-NanoLSI的Yang Lei博士等組成國際研究團隊，證實了二硫化錸（ReS2）的各向異性壓阻*1 效應，並且發現了一種新的現象：該材料沿兩個不同經軸方向施加應變*2 時顯示出相反的壓阻效應，即沿一個軸爲正，沿另一個軸則爲負。該團隊使用光學和電學量測方法，發現該材料的這種二維各向異性*3 晶體壓電電阻是可逆的：它在施加應變時出現，但在應變消除時恢復到其原始值。
該研究表明，ReS2二維器件顯示出取決於所施加應變主軸方向的相反的正和負的壓阻。這是首次發現該效應。這項研究將推進ReS2應用於電子產品，如電子皮膚，人機介面，應變感測器等方面。
【背景】
在對結晶材料和某些陶瓷施加壓力等機械應力時，會帶來與施加的應變成比例的表面電荷，這種現象稱爲壓電效應。壓電效應自18世紀中期就已爲人所知，並早已應用於打火機的點火裝置等，近年來也廣泛應用於感測器、制動器等。另一方面，當機械應變應用於半導體材料時，有些材料會顯示出電阻的變化，這種現象稱爲壓阻效應。具有壓阻效應的材料被應用於壓力傳感器，應變感測器等。
圖1 柔性PI襯底上的ReS2器件示意圖，其通道分別沿ReS2薄片的兩個主軸
製作程序：將ReS2薄片從晶體中剝離並轉移到柔性聚醯亞胺基底上，然後將兩根光纖轉移到薄片上，然後沉積物鈦/金（Ti / Au）電極，以及進行光學剝離工藝，最後將Ag線連接到電極上進行測量。
二硫化錸是一種以層狀結構結晶的二維（2D）材料，其展現出與厚度無關的直接帶隙*4 和各向異性的物理性質。在化合物分類上，它屬於過渡金屬二硫族化合物*5 分組。根據理論計算，該材料沿不同主軸有着兩個各向異性的方向。根據預測，這兩個各向異性的方向對單軸應變會有不同的響應。一旦這一特性被驗證，ReS2將可用於多維應變/應力和動作的精確檢測和識別，進而廣泛應用到電子皮膚領域*6 ，人機介面，應變感測器等領域。
【結果】
ReS2二維器件組裝程序如圖1所示。在用原子力顯微鏡（AFM）檢查了其構造之後，該國際研究團隊對該器件的各向異性特性透過光學和電學方法進行了考察。
首先，該研究團隊使用自己開發的反射差顯微鏡*7（RDM）對其進行了光學各向異性的測量，用從各個方向入射的偏光照射厚度爲8nm的ReS2器件，以確定二維晶體的兩個主軸方向。
然後，沿12個方向以30度的隔膜對同一樣品進行電學各向異性的測量，確定了有着110度差異的兩個主軸方向。同時也對另一種具有不同厚度（70nm）的ReS2器件進行了相同的測量，同樣也產生了非常相似的各向異性行為，說明該現象與厚度無關。
圖2 器件沿兩個軸的相對電阻變化與施加應變的關係
該圖顯示了ReS2器件在各種應變條件下沿a軸和b軸的相對電阻變化，可以看出a / b軸顯示正/負壓阻效應，並且隨應變呈線性變化。
將上述步驟中被確定主軸的二維晶體ReS2器件所在襯底的一端夾住，另一端則以特定速度沿主軸向固定端靠近，即可施加壓縮應變，該器件因爲應變而產生與應變正相關壓阻。即當應變爲壓應變時，所引起的壓阻爲正數，並且壓阻隨應變增加而線性增加；當應變爲拉應變時，則所引起的壓阻爲負數，並且壓阻也隨應變增加而線性增加。在襯底一端固定的情況下，當另一端的壓縮應變恢復到其原始狀態時，壓電電阻則也會完全恢復到零。
然而，當沿着另一個主軸進行相同實驗時，壓應變引起的壓阻爲負數，而拉應變引起的壓阻爲正數，即壓阻與應變呈負相關。使用不同的ReS2器件重複相同實驗時得到的結果始終一致。因此，該ReS2二維晶體器件顯示出相反的，取決於主軸方向的正或負壓電阻。
另外，當用相同器件重複相同實驗28次時，獲得的結果也幾乎相同。這表明在施加應變之後，釋放應變會讓壓電效應返回其原始狀態。
透過實驗和理論計算表明，該壓阻效應是由應變引起的帶隙調節所致。然而壓電效應是應變導致的晶格畸變所致，該團隊進行了各種電學測量，證明了所觀察到的現象是壓阻而不是壓電效應。
(日文新聞發佈全文)
文：JST 客觀日本編輯部翻譯整理
【註解】（*1-4、6引自wikipedia）
*1 壓阻：壓電電阻，描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。
*2 應變：在力學中定義爲一微小材料元素承受應力時所產生的變形強度。
*3 各項異性：或作各向異性，與各向同性相反，指物體的全部或部分物理可用能、化學等性質隨方向的不同而有所變化的特性，例如石墨單晶的電導率在不同方向的差異可達數千倍。
*4 直接帶隙：如果半導體材料中傳導帶和價帶中的電子和電洞的動能相同的話，則該半導體可以稱之爲直接帶隙半導體。其傳導帶最小值（傳導帶底）和占滿能帶最大值在k空間中同一位置，電子要躍遷到傳導帶上產生導電的電子和電洞（形成半滿能帶）只需要吸收能量。常見半導體材料中，GaAs和InAs是直接帶隙半導體，而Si，Ge則是間接帶隙半導體。
*5 過渡族金屬二硫族化合物：硫屬化物由至少一種硫屬元素（氧族元素，包括硫）陰離子和至少一種正電性元素組成的化合物。 ReS2有兩個硫原子與Re原子鍵合，Re爲過渡族金屬，又由於該分子具有兩個硫原子，因此稱爲過渡族金屬二硫化物。
*6 電子皮膚：電子皮膚是一類柔韌、可拉伸、能夠自我開墾的電子產品，它能夠模仿人類或動物皮膚的功能。電子皮膚通常具有感知能力，它旨在重現人類皮膚響應環境因素變化的能力（如熱量和壓力的變化）。
*7 反射差顯微鏡：能夠測量具有不同線性偏振的兩束光的反射差異的設備，由該團隊開發。
相關研究成果已於2019年3月在 ACS Nano上發表。文章原標題：The Opposite Anisotropic Piezoresistive Effect of ReS2 （ReS2相反各向異性的壓阻效應）
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
