Sensor Regangan Biaksial Presisi dengan Memanfaatkan Grating Tunggal MoS₂

Abstrak

Dalam artikel ini, kami melaporkan jenis baru sensor grating berbasis MoS₂ untuk pengukur regangan biaksial dalam bidang dengan batas presisi ~ 1‰. Grating MoS₂ disimulasikan secara numerik dengan berbagai regangan biaksial hingga 5%. Perhitungan prinsip pertama kami mengungkapkan bahwa sensitivitas stres spektrum refleksi MoS₂ dapat dianggap sebagai sensor regangan tambahan yang terintegrasi dengan struktur grating, memungkinkan pemetaan regangan biaksial dalam bidang. Studi eksperimental kami pada prototipe sensor Grating MoS₂ lebih mengonfirmasi bahwa komponen regangan yang tegak lurus terhadap periode grating dapat menyebabkan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama grating. Karya ini membuka jalur baru untuk penginderaan regangan biaksial dalam bidang dalam satu perangkat grating. Pendekatan baru kami berlaku untuk materi lain yang memiliki respons refleksi yang dapat diramalkan di bawah regangan biaksial dan kapasitas untuk membentuk lapis tunggal kristal dua dimensi.

Pendahuluan

Teknologi elektronik fleksibel telah menerima perhatian luas dari komunitas akademis dan industri, namun desain dan aplikasi perangkat fleksibel skala mikra dan nano adalah tantangan karena kesulitan dalam pemantauan perpindahan dan deformasi dinamis [1,2,3,4,5]. Sebagian besar metode deteksi regangan konvensional berdasarkan pengukur regangan resistensi memerlukan array sensor miniatur [4, 6, 7], yang sulit diproduksi untuk aplikasi elektronik fleksibel. Teknik deteksi regangan dua dimensi (2D) berbasis optika, seperti interferometri spekul, unggul dibandingkan dengan yang berdasarkan piezoresistensi karena presisi yang lebih tinggi [8]. Namun, strategi pengukuran korelasi citra mereka ditantang oleh persyaratan teknologi pemrosesan citra yang kompleks [8,9,10]. Grating 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 diperkenalkannya grafen [12, 13], keluarga materi 2D diperluas dengan banyak anggota baru seperti fosfor hitam atom ganda tipis [14], dikalkogenida logam transisi atom tiga tipis [15], monokalkogenida logam grup-III atom empat tipis [16], dan materi 2D nonlapisan lainnya [17]. Banyak properti menarik ditemukan dalam materi ini, menjaga mereka di bawah sorotan ilmu materi [18,19,20,21,22,23,24].

Dikalkogenida logam transisi menunjukkan properti optik dan mekanikal yang luar biasa [25,26,27]. Misalnya, MoS₂ dapat menahan hingga 19,5% [26] regangan biaksial disertai dengan modulasi refleksinya [28], dan WSe₂ dapat menunjukkan momen dipole Berry yang terkenal serta efek Hall nonlinier melalui rekayasa regangan [29]. Mengintegrasikan sensitivitas stres spektrum refleksi materi ke dalam fungsi perangkat grating refleksi dapat menjadi cara yang efisien untuk memperluas pengukuran regangan ke deteksi biaksial dalam satu perangkat. Namun, tidak ada laporan tentang grating refleksi yang digabungkan dengan modulasi refleksi materi yang diinduksi regangan untuk aplikasi penginderaan regangan 2D.

Di sini, kami menyarankan teknik baru penginderaan regangan biaksial dalam bidang yang melibatkan sensitivitas stres refleksi MoS₂ dalam sensor grating refleksi. Perhitungan prinsip pertama mengungkapkan bahwa regangan biaksial dapat menggeser puncak distribusi intensitas dalam pola difraksi perangkat grating berbasis MoS₂ karena refleksi MoS₂ sensitif terhadap deformasi yang diinduksi regangan. Pergeseran puncak nonlinier ini dengan baik divisualisasikan dengan menambahkan istilah orde kedua pada persamaan linier regangan uniaksial, dari mana komponen regangan yang tegak lurus terhadap arah periode grating dapat diekstraksi dengan batas presisi ~ 1‰. Studi eksperimental kami pada prototipe perangkat grating MoS₂ mengonfirmasi bahwa regangan yang tegak lurus terhadap periode grating dapat menginduksi pergeseran puncak intensitas dari pola difraksi orde pertama grating. Penelitian kami menunjukkan kemungkinan pengukur regangan biaksial dalam bidang one-shot dengan satu sensor grating.

Metode

Perhitungan Teoretis untuk Flake MoS₂

Respons optik MoS₂ terhadap regangan semuanya diteliti dengan perhitungan prinsip pertama yang dilakukan dengan Paket Simulasi Ab-initio Vienna (VASP) [30]. Potensi gelombang diperkuat proyektor semua elektron (PAW) [31] digunakan untuk semua perhitungan. Relaksasi geometri dan perhitungan statis dilakukan dengan metode pendekatan gradien umum (GGA) Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. Pengikatan spin-orbit (SOC) [33] juga dimasukkan dalam perhitungan statis. Untuk menentukan properti optik, energi quasipartikel pertama diperoleh oleh metode GW yang berasal dari teori fungsi hijau [34]. Fungsi gelombang yang diperoleh dari perhitungan statis dan energi quasipartikel dari perhitungan GW digunakan untuk melakukan perhitungan persamaan Bethe–Salpeter (BSE) [35] untuk memprediksi konstanta dielektrik.

Model kristal bulk digunakan untuk mewakili flake MoS₂ (bahwa perbedaan properti optik antara tumpukan lebih dari lima lapis adalah tidak signifikan [36]). Dalam perhitungan optimasi, potong energi diatur ke 400 eV, dan himpunan titik k Monkhorst–Pack 15*15*4 digunakan untuk mengecek zona Brillouin. Parameter jaringan pertama dioptimalkan sebagai referensi untuk perhitungan selanjutnya dari flake MoS₂ yang diregang. Parameter jaringan yang dioptimalkan adalah a = b = 3,18 Å dan c = 13,87 Å. Geometri direlaks hingga energi konvergen ke 10^–5 eV. Mengadopsi teknik dari literatur sebelumnya [37], potong energi 300 eV dan himpunan titik k 6 × 6 × 2 digunakan dalam perhitungan optik. Energi statis konvergen ke 10^–6 eV dalam semua perhitungan. Pola difraksi disimulasikan berdasarkan teorema Helmholtz–Kirchhoff [38]. Detail lebih lanjut disediakan dalam File Tambahan 1.

Persiapan Sampel MoS₂ untuk Pengukuran Spektrum

Tipis MoS₂ diekfoliasi secara mekanis dari kristal tunggal MoS₂ komersial (SPI Supplies) dan ditransfer ke substrat polidimetilsiloksan (PDMS) dengan pita. Setelah transfer, lapisan PDMS lain dibuat pada flake dan substrat untuk meningkatkan adhesi.

Persiapan Grating MoS₂ pada Substrat Fleksibel

Tipis MoS₂ diekfoliasi secara mekanis dari kristal tunggal MoS₂ komersial (SPI Supplies) dan ditransfer ke substrat polidimetilsiloksan (PDMS) dengan pita. Untuk membuat perangkat grating, flake MoS₂ pertama kali diola menjadi struktur grating dengan litografi sinar elektron (EBL). Kemudian, sampel yang diola dietch dengan plasma oksigen dengan daya 20 W. Akhirnya, kami memperoleh perangkat grating berbasis MoS₂ dengan mencuci PMMA.

Pengukuran Perangkat MoS₂

Sumber cahaya putih superkontinuum (NKT Photonics SuperK Compact) digunakan sebagai laser eksitasi, yang melewati satu lubang dan mengenai sampel flake atau sampel grating pada sudut tertentu terhadap bidang sampel, seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 1. Dalam pengukuran refleksi, laser yang terpantul dikumpulkan melalui serat optik yang terhubung ke spektrometer. Spektrum refleksi di bawah berbagai regangan dihitung dari data yang diukur oleh spektrometer. Untuk menguji grating MoS₂, laser yang terpantul diproyeksikan pada papan putih dan muncul sebagai lentaran cahaya elips panjang. Foto lentaran cahaya digunakan untuk menganalisis distribusi intensitas.

Sensor Regangan Biaksial Presisi dengan Memanfaatkan Grating Tunggal MoS₂

Hasil dan Diskusi

Dalam sensor grating refleksi konvensional, struktur periodik dari strip garis paralel dapat memerah cahaya, dan difraksi digunakan untuk mengukur regangan yang berada di arah periode garis dengan memantau pergeseran lokasi pola difraksi [11]. Karena orientasi struktur periodik, fungsi penginderaan regangan dari grating refleksi terbatas pada pengukur regangan uniaksial dalam bidang (samar dengan arah periodik). Untuk memperluas fungsi grating refleksi untuk digunakan dalam pengukur regangan biaksial dalam bidang, kami menyarankan bahwa properti optik intrinsik materi grating, seperti sensitivitas stres refleksi materi, dapat dianggap sebagai sensor regangan tambahan untuk mendeteksi komponen regangan dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah periodik.

MoS₂ memiliki struktur berlapis: lapisan atom Mo yang terletak di antara dua lapisan atom S. Interaksi antara lapisan adalah gaya van der Waals yang lemah. Di sini, kami merancang sensor grating refleksi berbasis flake MoS₂ (Fig. 1) dan menyelidiki pola difraksi perangkat di bawah berbagai regangan biaksial dalam bidang dengan perhitungan prinsip pertama. Rentang panjang gelombang sinan incident dalam perhitungan kami adalah dari 400 hingga 850 nm. Grating difraksi dapat digambarkan oleh:

$$d\left(\mathrm{sin}{\theta }_{i}-\mathrm{sin}{\theta }_{m}\right)=n\lambda$$ (1)

di mana d adalah jarak antara dua strip garis berdekatan, ${\theta }_{i}$ adalah sudut antara sinan incident dan normal terhadap grating, ${\theta }_{m}$ adalah sudut antara sinan difraksi dan normal ketika sinan difraksi memiliki maksimum, n adalah orde difraksi, dan $\lambda$ adalah panjang gelombang sinan [11]. Dari Eq. (1), kita melihat bahwa sinan incident dengan berbagai $\lambda$ harus memiliki berbagai ${\theta }_{m}$. Oleh karena itu, sinan gelombang panjang kontinu menyebabkan serangkaian spot difraksi kontinu yang sesuai dengan berbagai ${\theta }_{m}$, membentuk pola difraksi orde pertama yang elips.

Gambar 2a menunjukkan citra simulasi dari pola difraksi dari sensor grating yang dirancang tanpa regangan yang diterapkan. Gambar 2b menunjukkan evolusi puncak intensitas dan lokasi pola dari simulasi pola difraksi orde pertama dari perangkat di bawah berbagai regangan biaksial. Tepi pola difraksi orde pertama yang sesuai dengan sinan incident 850 nm ditandai sebagai “LW”. Kita menerapkan regangan uniaksial tarik dalam bidang di arah periode garis (${\varepsilon }_{x}$), regangan ini dapat menginduksi peningkatan jarak d antara setiap strip. Akibatnya, ${\theta }_{m}$ berkurang karena $d\mathrm{sin}{\theta }_{m}$ konstan untuk setiap $\lambda$ yang diberikan dan ${\theta }_{i}$ tetap. Oleh karena itu, ketika kita secara bertahap meningkatkan regangan ${\varepsilon }_{x}$ dari 0 hingga 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 sinan yang sesuai, yang konsisten dengan fungsi sensor grating refleksi konvensional [11].

Sinan incident dengan panjang gelombang $\lambda$ yang lebih panjang memiliki variasi ${\theta }_{m}$ yang lebih besar, sehingga tepi LW memiliki pergeseran lokasi yang paling jelas. Namun, ketika regangan tarik dalam bidang yang tegak lurus terhadap periode garis (${\varepsilon }_{y}$) diterapkan secara bersamaan, pergeseran puncak intensitas diamati dalam pola difraksi orde pertama, seperti yang ditandai dengan garis putus dalam Gambar 2b. Ketika regangan ${\varepsilon }_{y}$ meningkat dari 0 hingga 5%, puncak intensitas bergeser lebih jauh dari pusat titik difraksi orde nol. Kami mengaitkan pergeseran puncak distribusi intensitas ini dengan modulasi refleksi MoS₂ yang diinduksi regangan. Literatur sebelumnya telah melaporkan bahwa spektrum refleksi MoS₂ dapat diatur oleh regangan eksternal [28], dan refleksi adalah rasio intensitas sinan yang dipantulkan terhadap sinan incident dari grating refleksi. Oleh karena itu, intensitas sinan dengan berbagai panjang gelombang yang dipantulkan oleh grating MoS₂ dapat diimodulasi oleh regangan dalam bidang. Sementara itu, tidak ada pergeseran lokasi tepi LW karena regangan ${\varepsilon }_{y}$ tidak memberikan dampak pada periode garis.

Gambar 3a menunjukkan perilaku linier dalam pergeseran puncak spektrum refleksi MoS₂ ketika regangan tarik uniaksial di sepanjang vektor jaringan ${\varvec{b}}$ MoS₂ diterapkan. Regangan tarik uniaksial ini menyebabkan pergeseran puncak merah dalam spektrum refleksi MoS₂. Namun, ada modulasi nonlinier dalam pergeseran posisi puncak refleksi ketika kita menerapkan regangan tarik biaksial dalam bidang. Hubungan antara posisi puncak dalam spektrum refleksi dan regangan tarik biaksial dalam bidang dapat digambarkan oleh persamaan orde kedua:

$$\mathrm{Peak position}=l\left({\varepsilon }_{a}+{\varepsilon }_{b}\right)+m{\varepsilon }_{a}{\varepsilon }_{b}+n$$ (2)

di mana l, m, dan n adalah tiga konstanta, dan ε_a dan ε_b adalah komponen regangan di sepanjang dua vektor jaringan MoS₂. Istilah pertama menggambarkan perilaku linier pergeseran posisi puncak di bawah regangan tarik uniaksial di sepanjang vektor jaringan ${\varvec{a}}$ atau ${\varvec{b}}$. Istilah kedua menggambarkan perilaku orde lebih tinggi dalam situasi regangan tarik biaksial. Istilah ketiga adalah posisi puncak refleksi MoS₂ yang tidak diregang. Karena vektor jaringan MoS₂ ${\varvec{a}}$ dan ${\varvec{b}}$ adalah setara secara simetri, regangan tarik di kedua arah memiliki faktor kontribusi yang sama. Hasil fitting menunjukkan bahwa perbedaan tertinggi antara kurva fitting dan posisi puncak yang dihitung prinsip pertama adalah 1,76 nm, yang menunjukkan bahwa batas presisi pengukur regangan ~ 1‰ dapat diperoleh ketika posisi puncak refleksi digunakan untuk menghitung regangan dengan Eq. (2). Gambar 3b menunjukkan citra pemetaan posisi puncak refleksi di bawah berbagai regangan tarik biaksial dalam bidang yang diperoleh dari Eq fitting (2) (lihat plot detail refleksi dalam File Tambahan 1).

Dalam simulasi kami, vektor jaringan ${\varvec{a}}$ tegak lurus terhadap arah periode grating yang disimulasikan. 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 sensor grating berbasis MoS₂, regangan dalam bidang ε_x dapat diukur oleh pergeseran lokasi tepi LW dari pola difraksi orde pertama. Berdasarkan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama, kita dapat menggunakan persamaan orde kedua Eq. (2) untuk mengurangi kontribusi regangan dalam bidang ε_x dari pergeseran puncak. Kemudian kita dapat menghitung secara kuantitatif regangan dalam bidang ε_y.

Untuk mempelajari lebih lanjut secara eksperimental sensitivitas stres refleksi MoS₂, kami secara mekanis melepas flake MoS₂ (ketebalan beberapa puluhan nanometer; lihat detail dalam File Tambahan 1) dan melekatkan flake ke substrat fleksibel polidimetilsiloksan (PDMS) dengan metode transfer kering (ditunjukkan dalam inset Gambar 4a). Regangan tarik uniaksial dalam bidang diberikan pada perangkat MoS₂ yang dibuat ini dengan memasang kedua sisi substrat ke dua tahap translasi dan meregangkan substrat. Kami memperkirakan regangan tarik uniaksial dalam bidang dengan menghitung ε=δL/L, di mana L adalah panjang substrat di antara dua klip dan δL adalah perubahan panjang. Ketika regangan bervariasi dari 0 hingga 4%, terdapat pergeseran merah dari posisi puncak dalam spektrum refleksi MoS₂, dan magnitudo pergeseran ini sesuai baik dengan perhitungan teoretis kami, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a. Gambar 4b, c menunjukkan citra optik dari sensor grating refleksi berbasis MoS₂ dengan periode 2 μm pada substrat fleksibel PDMS yang dibuat dengan litografi sinar elektron (detail dalam Metode). Saat meregangkan substrat PDMS, regangan tarik dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah periode diberikan pada perangkat grating berbasis MoS₂ (Gambar 4d). Dengan memantau distribusi intensitas dalam pola difraksi orde pertama, kami mengamati bahwa puncak intensitas bergeser lebih jauh dari pusat titik orde nol dibandingkan kasus yang tidak diregang ketika kita memperkenalkan regangan tarik dalam bidang 4% yang tegak lurus terhadap arah periode (Gambar 4e). Tidak ada pergeseran lokasi pola difraksi yang diperoleh karena regangan tarik adalah tegak lurus terhadap arah periode, dan jarak d antara setiap strip berubah sedikit.

Kesimpulan

Secara ringkasan, kami mendemonstrasikan teknik baru untuk mengukur regangan biaksial dalam bidang menggunakan sensor grating refleksi berbasis MoS₂. Kami menguji konsep dengan mensimulasikan grating secara numerik dengan berbagai regangan biaksial hingga 5%. Dalam teknik baru ini, struktur grating untuk mendeteksi komponen regangan di arah periode (ε_x) digabungkan dengan sensitivitas stres refleksi MoS₂ untuk bertindak sebagai sensor tambahan untuk mendapatkan komponen regangan dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah periode (ε_y). Komponen ε_y dihitung dengan persamaan perkiraan orde kedua dan pergeseran puncak intensitas dalam pola difraksi orde pertama. Hasil teoretis didukung dengan baik oleh eksperimen kami. Karya kita membuka jalan untuk desain sensor grating fleksibel dan memberikan pendekatan baru untuk merealisasikan pengukur regangan biaksial dalam bidang one-shot dengan satu sensor grating. Pendekatan kami juga berlaku untuk materi lain yang memiliki respons refleksi yang dapat diramalkan di bawah regangan biaksial dan kemampuan untuk membentuk lapis tunggal kristal dua dimensi.