Sensor Regangan Biaxial Menggunakan Kisi MoS2 Tunggal
Abstrak
Dalam makalah ini, kami melaporkan jenis baru MoS2 sensor kisi berbasis untuk pengukur regangan biaksial dalam bidang dengan batas presisi ~ 1‰. MoS2 kisi disimulasikan secara numerik dengan regangan biaksial yang berbeda hingga 5%. Perhitungan prinsip pertama kami mengungkapkan bahwa sensitivitas regangan dari MoS2 spektrum reflektansi dapat dianggap sebagai sensor regangan tambahan yang terintegrasi dengan struktur kisi, memungkinkan pemetaan regangan biaksial dalam bidang. Studi eksperimental kami pada prototipe MoS2 -sensor kisi lebih lanjut mengkonfirmasi bahwa komponen regangan yang tegak lurus terhadap periode kisi dapat menyebabkan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama kisi. Pekerjaan ini membuka jalan baru menuju penginderaan regangan biaksial dalam bidang dalam perangkat kisi tunggal. Pendekatan baru kami dapat diterapkan untuk material lain yang memiliki respons reflektansi yang dapat diprediksi di bawah regangan biaksial dan kapasitas untuk membentuk lapisan kristal tunggal dua dimensi.
Pengantar
Teknologi elektronik fleksibel telah mendapat perhatian luas dari komunitas akademis dan industri, tetapi desain dan aplikasi perangkat fleksibel skala mikro dan nano menantang karena kesulitan dalam perpindahan dinamis dan pemantauan deformasi [1,2,3,4,5]. Sebagian besar metode deteksi regangan konvensional berdasarkan pengukur regangan resistansi memerlukan rangkaian sensor miniatur [4, 6, 7], yang sulit diproduksi untuk aplikasi elektronik yang fleksibel. Teknik deteksi regangan dua dimensi (2D) berbasis optik, seperti interferometri spekel, lebih unggul daripada yang didasarkan pada piezoresistivitas karena presisi yang lebih tinggi [8]. Namun, strategi pengukuran korelasi citra mereka ditantang oleh persyaratan teknologi pemrosesan citra yang kompleks [8,9,10]. Kisi refleksi dapat memberikan resolusi tinggi untuk pengukuran regangan tetapi tidak memiliki kemampuan untuk mendeteksi regangan 2D dalam satu perangkat [11].
Selama beberapa tahun terakhir, materi 2D telah menarik upaya penelitian yang luar biasa. Setelah pengenalan grafem [12, 13], keluarga bahan 2D telah diperbesar oleh banyak anggota baru seperti fosfor hitam tipis atom ganda [14], dichalcogenides logam transisi tipis atom tiga atom [15], kelompok tipis atom empat kali lipat-III monochalcogenides logam [16], dan bahan 2D nonlayered lainnya [17]. Banyak sifat menarik telah ditemukan dalam bahan-bahan ini, membuat mereka tetap di bawah sorotan ilmu material [18,19,20,21,22,23,24].
Dichalcogenides logam transisi menunjukkan sifat optik dan mekanik yang luar biasa [25,26,27]. Misalnya, MoS2 dapat mentolerir sebanyak 19,5% [26] regangan biaksial disertai dengan modulasi reflektansinya [28], dan WSe2 dapat menunjukkan dipol kelengkungan Berry yang terkenal serta efek Hall nonlinier melalui rekayasa regangan [29]. Memasukkan sensitivitas regangan spektrum reflektansi material ke dalam fungsi perangkat kisi refleksi dapat menjadi cara yang efisien untuk memperluas pengukuran regangan ke deteksi biaksial dalam satu perangkat. Namun, tidak ada laporan tentang kisi-kisi refleksi yang dikombinasikan dengan modulasi reflektansi material yang diinduksi regangan untuk aplikasi penginderaan regangan 2D.
Di sini, kami mengusulkan jenis baru teknik penginderaan regangan biaksial dalam bidang yang melibatkan sensitivitas regangan MoS2 reflektansi dalam sensor kisi refleksi. Perhitungan prinsip pertama mengungkapkan bahwa regangan biaksial dapat menggeser puncak distribusi intensitas dalam pola difraksi MoS2 -perangkat kisi berbasis karena pantulan MoS2 sensitif terhadap deformasi yang disebabkan oleh regangan. Pergeseran puncak nonlinier ini ditunjukkan dengan baik dengan menambahkan suku orde kedua ke persamaan linier regangan uniaksial, dari mana komponen regangan tegak lurus terhadap arah periode kisi dapat diekstraksi dengan batas presisi ~ 1‰. Studi eksperimental kami pada prototipe MoS2 -perangkat kisi mengkonfirmasi bahwa regangan tegak lurus terhadap periode kisi dapat menginduksi pergeseran puncak intensitas pola difraksi orde pertama kisi. Penelitian kami menunjukkan kemungkinan pengukur regangan biaksial satu bidikan dalam bidang dengan sensor kisi tunggal.
Metode
Perhitungan Teoretis untuk MoS2 Serpihan
MoS2 tanggapan optik terhadap regangan semuanya dipelajari dengan perhitungan prinsip pertama yang dilakukan dengan Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [30]. Semua-elektron proyektor augmented wave (PAW) potensi [31] digunakan untuk semua perhitungan. Relaksasi geometris dan perhitungan statis dilakukan dengan metode Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) generalized gradient approximation (GGA) [32]. Kopling spin-orbit (SOC) [33] juga dimasukkan dalam perhitungan statis. Untuk menentukan sifat optiknya terlebih dahulu diperoleh energi kuasipartikel dengan metode GW yang diturunkan dari teori fungsi Green [34]. Fungsi gelombang yang diperoleh dari perhitungan statis dan energi kuasipartikel dari perhitungan GW digunakan untuk melakukan perhitungan persamaan Bethe-Salpeter (BSE) [35] untuk memprediksi konstanta dielektrik.
Model kristal massal digunakan untuk mewakili MoS2 serpihan (bahwa perbedaan properti optik antara tumpukan lebih besar dari lima lapisan dapat diabaikan [36]). Dalam perhitungan pengoptimalan, pemutusan energi disetel ke 400 eV, dan set titik-k Monkhorst–Pack 15*15*4 digunakan untuk mengambil sampel zona Brillouin. Parameter kisi pertama-tama dioptimalkan sebagai referensi untuk perhitungan selanjutnya dari MoS yang tegang2 mengelupas. Parameter kisi yang dioptimalkan adalah a = b = 3.18 Å dan c = 13,87 Å. Geometri dilonggarkan hingga energinya menyatu menjadi 10
–5
eV. Mengadopsi teknik dari literatur sebelumnya [37], pemutusan energi 300 eV dan k -titik set 6 × 6 × 2 digunakan dalam perhitungan optik. Energi statis berkumpul menjadi 10
–6
eV dalam semua perhitungan. Pola difraksi disimulasikan berdasarkan teorema Helmholtz-Kirchhoff [38]. Rincian lebih lanjut disediakan di file tambahan 1.
Persiapan MoS2 Contoh Pengukuran Spektrum
MoS2 film tipis dieksfoliasi secara mekanis dari MoS komersial2 kristal tunggal (SPI Supplies) dan dipindahkan ke substrat polydimethylsiloxane (PDMS) dengan selotip. Setelah transfer, lapisan PDMS lainnya dibuat pada serpihan dan substrat untuk meningkatkan daya rekat.
Persiapan MoS2 Grating pada Substrat Fleksibel
MoS2 film tipis dieksfoliasi secara mekanis dari MoS komersial2 kristal tunggal (SPI Supplies) dan dipindahkan ke substrat polydimethylsiloxane (PDMS) dengan selotip. Untuk membuat perangkat kisi, MoS2 serpihan pertama kali dipolakan ke dalam struktur kisi dengan litografi berkas elektron (EBL). Kemudian sampel berpola itu digores dengan plasma oksigen dengan kekuatan 20 W. Akhirnya, kami memperoleh MoS2 -perangkat kisi berbasis dengan membersihkan PMMA.
MoS2 Pengukuran Perangkat
Sumber cahaya putih superkontinum (NKT Photonics SuperK Compact) digunakan sebagai laser eksitasi, yang melewati satu bukaan dan mengenai sampel serpihan atau sampel kisi pada sudut tertentu relatif terhadap bidang sampel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. pengukuran reflektansi, laser yang dipantulkan dikumpulkan melalui serat optik yang terhubung ke spektrometer. Spektrum reflektansi di bawah regangan yang berbeda dihitung dari data yang diukur dengan spektrometer. Untuk menguji MoS2 kisi, laser yang dipantulkan diproyeksikan ke papan putih dan muncul sebagai titik cahaya elips yang panjang. Foto titik cahaya digunakan untuk menganalisis distribusi intensitas.
Ilustrasi skema MoS2 -sensor kisi berbasis pada substrat fleksibel PDMS untuk pengukur regangan biaksial
Hasil dan Diskusi
Pada sensor kisi refleksi konvensional, struktur periodik strip kisi paralel dapat mendifraksikan cahaya, dan difraksi tersebut digunakan untuk mengukur regangan sepanjang arah periode kisi dengan memantau pergeseran lokasi pola difraksi [11]. Karena orientasi struktur periodik, fungsi penginderaan regangan dari kisi refleksi terbatas pada pengukur regangan uniaksial dalam bidang (sejajar dengan arah periodik). Untuk memperluas fungsi kisi refleksi untuk digunakan dalam pengukur regangan biaksial dalam bidang, kami mengusulkan bahwa sifat optik intrinsik dari bahan kisi, seperti sensitivitas regangan dari pemantulan bahan, dapat dianggap sebagai sensor regangan tambahan untuk dideteksi dalam -komponen regangan bidang tegak lurus terhadap arah periodik.
MoS2 memiliki struktur berlapis:lapisan atom Mo terjepit di antara dua lapisan atom S. Interaksi antar lapisan merupakan gaya van der Waals yang lemah. Di sini, kami mendesain MoS2 sensor kisi refleksi berbasis serpihan (Gbr. 1) dan selidiki pola difraksi perangkat di bawah regangan biaksial dalam bidang yang berbeda dengan perhitungan prinsip pertama. Rentang panjang gelombang sinar datang dalam perhitungan kami adalah dari 400 hingga 850 nm. Kisi difraksi dapat digambarkan dengan:
di mana \(d\) adalah jarak antara dua strip kisi yang berdekatan, \({\theta }_{i}\) adalah sudut antara balok datang dan normal ke kisi, \({\theta }_{m }\) adalah sudut antara sinar difraksi dan normal ketika sinar difraksi memiliki maksimum, n adalah orde difraksi, dan \(\lambda\) adalah panjang gelombang berkas [11]. Dari Persamaan. (1), kita melihat bahwa sinar datang dengan \(\lambda\) yang berbeda harus memiliki \({\theta }_{m}\ yang berbeda). Oleh karena itu, berkas panjang gelombang kontinu menyebabkan rangkaian titik difraksi kontinu yang sesuai dengan \({\theta }_{m}\ berbeda), membentuk pola difraksi orde satu elips.
Gambar 2a menunjukkan gambar simulasi pola difraksi dari sensor kisi yang dirancang tanpa regangan yang diterapkan. Gambar 2b menunjukkan puncak intensitas dan evolusi lokasi pola dari pola difraksi orde pertama yang disimulasikan pada perangkat di bawah regangan biaksial yang berbeda. Tepi pola difraksi orde pertama yang sesuai dengan sinar datang 850 nm diberi label “LW”. Ketika kita menerapkan regangan tarik uniaksial dalam bidang sepanjang arah periode kisi (\({\varepsilon }_{x}\)), regangan ini dapat menyebabkan peningkatan jarak d antara setiap strip. Akibatnya, \({\theta }_{m}\) berkurang karena \(d\mathrm{sin}{\theta }_{m}\) adalah konstan untuk setiap \(\lambda\) dan tetap \ ({\theta }_{i}\). Oleh karena itu, ketika kita secara bertahap meningkatkan regangan \({\varepsilon }_{x}\) dari 0 menjadi 4,3%, lokasi setiap titik dalam pola difraksi orde pertama bergerak lebih dekat ke pusat titik difraksi orde nol dalam hubungan proporsional dengan panjang gelombang berkas yang sesuai, yang konsisten dengan fungsi sensor kisi refleksi konvensional [11].
a Gambar simulasi pola difraksi. Tidak ada ketegangan yang diterapkan. Intensitas direpresentasikan dengan warna. Ada perilaku asimetris antara tempat difraksi orde pertama di kedua sisi balok orde nol karena layar dalam simulasi kami diatur sejajar dengan kisi, bukan tegak lurus terhadap arah refleksi. b Evolusi simulasi tempat difraksi orde pertama di bawah strain biaksial yang berbeda. Diferensial parsial intensitas direpresentasikan dengan warna. Koordinat horizontal dan koordinat vertikal menunjukkan posisi relatif terhadap pusat titik difraksi orde nol. Puncaknya ditandai dengan garis putus-putus. Dari kiri ke kanan, \({\varepsilon }_{x}\) ditetapkan masing-masing sebagai 0%, 0,9%, 2,6%, dan 4,3%. Dari atas ke bawah, \({\varepsilon }_{y}\) masing-masing adalah 0%, 1%, 3%, dan 5%
Sinar datang dengan panjang gelombang yang lebih panjang \(\lambda\) memiliki variasi \({\theta }_{m}\) yang lebih besar, sehingga tepi LW memiliki pergeseran lokasi yang paling jelas. Namun, ketika regangan tarik dalam bidang tegak lurus terhadap arah periode kisi (\({\varepsilon }_{y}\)) diterapkan secara simultan, pergeseran puncak intensitas diamati dalam pola difraksi orde pertama, seperti yang ditandai oleh garis putus-putus pada Gambar. 2b. Ketika regangan \({\varepsilon }_{y}\) meningkat dari 0 menjadi 5%, puncak intensitas bergeser lebih jauh dari pusat titik difraksi orde nol. Kami mengaitkan pergeseran puncak distribusi intensitas ini dengan modulasi yang diinduksi regangan dari MoS2 reflektansi. Literatur sebelumnya telah melaporkan bahwa spektrum reflektansi MoS2 dapat disetel oleh regangan eksternal [28], dan reflektansi sama dengan rasio intensitas berkas terdifraksi terhadap berkas datang dari kisi refleksi. Oleh karena itu, intensitas sinar dengan panjang gelombang yang berbeda didifraksikan oleh MoS2 kisi dapat dimodulasi oleh regangan dalam bidang. Sementara itu, tidak terjadi pergeseran lokasi tepi LW karena regangan \({\varepsilon }_{y}\) tidak berdampak pada periode kisi.
Gambar 3a menunjukkan perilaku linier pada pergeseran puncak MoS2 spektrum reflektansi ketika regangan tarik uniaksial sepanjang vektor kisi \({\varvec{b}}\) dari MoS2 diterapkan. Regangan tarik uniaksial ini menyebabkan pergeseran merah posisi puncak di MoS2 reflektansi. Namun, ada modulasi nonlinier dalam pergeseran posisi puncak reflektansi ketika kita menerapkan regangan tarik biaksial dalam bidang. Hubungan antara posisi puncak dalam spektrum reflektansi dan regangan tarik biaksial dalam bidang dapat dijelaskan dengan persamaan orde kedua:
a Spektrum reflektansi dari MoS2 serpihan sebagai fungsi panjang gelombang di bawah regangan uniaksial yang berbeda. b Posisi puncak spektrum reflektansi MoS2 serpihan di bawah strain biaksial yang berbeda. Garis putus-putus mewakili kurva pas. Inset:Gambar pemetaan posisi puncak dari persamaan pas
dimana l , m , dan n adalah tiga konstanta, dan εa dan εb adalah komponen regangan sepanjang dua vektor kisi dari MoS2 . Suku pertama menggambarkan perilaku linier dari pergeseran posisi puncak di bawah regangan tarik uniaksial sepanjang vektor kisi \({\varvec{a}}\) atau \({\varvec{b}}\). Istilah kedua menggambarkan perilaku tingkat tinggi dalam situasi regangan tarik biaksial. Suku ketiga adalah posisi puncak reflektansi dari MoS tanpa regangan2 . Sejak MoS2 vektor kisi \({\varvec{a}}\) dan \({\varvec{b}}\) ekivalen secara simetris, regangan tarik sepanjang dua arah memiliki faktor kontribusi yang sama. Hasil pemasangan menunjukkan bahwa perbedaan tertinggi antara kurva pemasangan dan posisi puncak yang dihitung dengan prinsip pertama adalah 1,76 nm, yang menunjukkan bahwa batas presisi pengukur regangan ~ 1‰ dapat diperoleh ketika posisi puncak reflektansi digunakan untuk menghitung regangan dengan Persamaan. (2). Gambar 3b menunjukkan gambar pemetaan posisi puncak reflektansi di bawah regangan tarik biaksial dalam bidang yang berbeda yang diperoleh dari Persamaan yang dipasang. (2) (lihat plot reflektansi rinci dalam file tambahan 1).
Dalam simulasi kami, vektor kisi \({\varvec{a}}\) tegak lurus terhadap arah periode kisi simulasi. Oleh karena itu, regangan \({\varepsilon }_{y}\) sama dengan \({\varepsilon }_{a}\), dan regangan \({\varepsilon }_{x}\) sama dengan \(\ sqrt{3}/2\times {\varepsilon }_{b}\). Perhitungan kami mengungkapkan bahwa dalam MoS2 berbasis sensor kisi, regangan dalam bidang \({\varepsilon }_{x}\) dapat diukur dengan pergeseran lokasi tepi LW dari pola difraksi orde pertama. Berdasarkan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama, kita dapat menggunakan Persamaan orde kedua. (2) untuk mengurangi kontribusi regangan dalam bidang \({\varepsilon }_{x}\) dari pergeseran puncak. Kemudian kita dapat menghitung regangan dalam bidang secara kuantitatif \({\varepsilon }_{y}\).
Untuk mempelajari lebih lanjut secara eksperimental sensitivitas regangan dari MoS2 reflektansi, kami secara mekanis mengelupas MoS2 serpihan (ketebalan beberapa puluh nanometer; lihat detail di File tambahan 1) dan tempelkan serpihan ke substrat fleksibel polidimetilsiloxane (PDMS) dengan metode transfer kering (ditunjukkan pada Gbr. 4a inset). Regangan tarik uniaksial dalam bidang dikenakan pada MoS yang dibuat ini2 perangkat dengan memperbaiki dua sisi substrat ke dua tahap translasi dan meregangkan substrat. Kami memperkirakan regangan tarik uniaksial dalam bidang dengan menghitung ε \(=\delta L/L\), di mana \(L\) adalah panjang substrat antara dua klip dan \(\delta L\) adalah perubahan panjang. Ketika regangan divariasikan dari 0 hingga 4%, terjadi pergeseran merah dari posisi puncak di MoS2 spektrum reflektansi, dan besarnya pergeseran ini sesuai dengan perhitungan teoretis kami, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Gambar 4b, c menunjukkan gambar optik dari sensor kisi refleksi berbasis MoS2 dengan periode 2 m pada substrat fleksibel PDMS yang dibuat dengan litografi berkas elektron (detail dalam Metode). Setelah meregangkan substrat PDMS, regangan tarik dalam bidang tegak lurus terhadap arah periode diberikan pada MoS2 -perangkat kisi berbasis (Gbr. 4d). Dengan memantau distribusi intensitas dalam pola difraksi orde pertama, kami mengamati bahwa puncak intensitas bergeser lebih jauh dari pusat titik orde-nol dibandingkan dengan kasus tak teregang ketika kami memperkenalkan regangan tarik dalam bidang sebesar 4% tegak lurus terhadap arah periode (Gbr. 4e). Pergeseran lokasi pola difraksi tidak diperoleh karena regangan tarik tegak lurus terhadap arah periode, dan spasi d antara setiap strip sedikit berubah.
a Hasil eksperimen spektrum reflektansi dengan regangan uniaksial (atas), dan prinsip pertama menghitung spektrum reflektansi dengan regangan uniaksial (bawah). Panah menunjukkan lokasi puncak reflektansi. Sisipan, gambar optik MoS2 serpihan yang digunakan untuk pengujian spektrum reflektansi. b –c Gambar optik dari MoS yang dibuat2 - kisi-kisi berbasis PDMS. d Diagram skema MoS2 - kisi berbasis membentang dengan tahap terjemahan. e Gambar titik difraksi orde pertama dari kisi tak regangan (atas) dan kisi regangan (bawah). Panah putih menunjukkan puncak intensitas
Kesimpulan
Singkatnya, kami mendemonstrasikan teknik baru untuk mengukur regangan biaksial dalam bidang menggunakan MoS2 -sensor kisi refleksi berbasis. Kami menguji konsep tersebut dengan mensimulasikan kisi secara numerik dengan regangan biaksial yang berbeda hingga 5%. Dalam teknik baru ini, struktur kisi untuk mendeteksi komponen regangan sepanjang arah periode (\({\varepsilon }_{x}\)) digabungkan dengan sensitivitas regangan MoS2 reflektansi untuk bertindak sebagai sensor tambahan untuk mendapatkan komponen regangan dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah periode (\({\varepsilon }_{y}\)). Komponen \({\varepsilon }_{y}\) dihitung dengan persamaan aproksimasi orde kedua dan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama. Hasil teoretis didukung dengan baik oleh eksperimen kami. Pekerjaan kami membuka jalan untuk desain sensor kisi fleksibel dan menyediakan pendekatan baru untuk mewujudkan pengukur regangan biaksial satu bidikan dalam pesawat dengan sensor kisi tunggal. Pendekatan kami juga berlaku untuk material lain yang memiliki respons reflektansi yang dapat diprediksi di bawah regangan biaksial dan kemampuan untuk membentuk lapisan kristal tunggal dua dimensi.
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang digunakan dan dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
