단일 MoS₂ 격자 활용 정밀 이축 변형 센서

요약

본 논문에서는 ~1‰ 정밀도 한계 가진 평면 내 이축 변형 게이지용 신형 MoS₂ 기반 격자 센서 보고. MoS₂ 격자 5%까지 다양한 이축 변형 조건 수치 시뮬레이션. 제1원리 계산 결과 MoS₂ 반사율 스펙트럼 변형 민감도 격자 구조와 통합된 추가 변형 센서로 고려 가능, 평면 내 이축 변형 매핑 가능. 시제품 MoS₂-격자 센서 실험 연구 추가로 격자 주기 수직 변형 성분이 격자 1차 회절 패턴 강도 피크 이동 유발 확인. 이 연구 단일 격자 소자 내 평면 내 이축 변형 센싱 새 길 열음. 우리 새 접근법 이축 변형 하 예측 가능 반사율 응답 가진 다른 소재, 2차원 단일 결정 층 형성 능력 가진 소재에도 적용 가능.

서론

유연 전자 기술 학계, 산업계 광범위 관심 받았으나 미세, 나노 규모 유연 소자 설계, 응용 동적 변위, 변형 모니터링 어려움으로 도전적[1,2,3,4,5]. 기존 저항 변형 게이지 기반 변형 검출 대부분 소형 센서 어레이 필요[4, 6, 7], 유연 전자 응용 생산 어려움. 광학 기반 2D 변형 검출 기술(예: 스페클 간섭계) 압저항 기반보다 높은 정밀도로 우월[8]. 그러나 영상 상관 측정 전략 복잡한 영상 처리 기술 요구로 도전[8,9,10]. 반사 격자 변형 측정 고해상도 제공하나 단일 소자 내 2D 변형 검출 능력 부족[11].

지난 수년간 2D 소재 엄청난 연구 노력 끌음. 그래핀 도입[12, 13] 후 2D 소재 패밀리 이중 원자층 흑린[14], 삼중 원자층 전이 금속 칼코게나이드[15], 사중 원자층 III족 금속 단칼코게나이드[16], 기타 비층상 2D 소재[17] 등 많은 새 멤버로 확대. 이 소재들 많은 흥미로운 특성 발견되어 소재 과학 스포트라이트 아래 유지[18,19,20,21,22,23,24].

전이 금속 칼코게나이드 뛰어난 광학, 기계적 특성 보임[25,26,27]. 예: MoS₂ 19.5%[26] 이축 변형 견디며 반사율 변조 동반[28], WSe₂ 변형 공학으로 주목할 만한 베리 곡률 쌍극자, 비선형 홀 효과 나타남[29]. 격자 소재 반사율 스펙트럼 변형 민감도 반사 격자 소자 기능 통합하면 변형 측정을 단일 소자 내 이축 검출로 확장 효율적 방법 될 수 있음. 그러나 반사 격자 변형 유도 소재 반사율 변조 결합 2D 변형 센싱 응용 보고 없음.

여기서 MoS₂ 반사율 변형 민감도 반사 격자 센서 포함 신형 평면 내 이축 변형 센싱 기술 제안. 제1원리 계산 결과 이축 변형 MoS₂ 기반 격자 소자 회절 패턴 강도 분포 피크 이동 유발, MoS₂ 반사율 변형 유도 변형에 민감하기 때문. 이 비선형 피크 이동 단축 변형 선형 방정식에 2차 항 추가로 잘 입증, 격자 주기 방향 수직 변형 성분 ~1‰ 정밀도 한계로 추출 가능. 시제품 MoS₂-격자 소자 실험 연구 격자 주기 수직 변형이 격자 1차 회절 패턴 강도 피크 이동 유발 확인. 우리 연구 단일 격자 센서 원샷 평면 내 이축 변형 게이지 가능성 보임.

방법

MoS₂ 플레이크 이론 계산

MoS₂ 변형에 대한 광학 응답 모두 비엔나 압시니오 시뮬레이션 패키지(VASP)[30] 수행 제1원리 계산으로 연구. 모든 계산 전자 증강 파동(PAW) 퍼텐셜[31] 사용. 기하 완화, 정적 계산 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 일반화 기울기 근사(GGA) 방법[32] 사용. 스핀-오빗 결합(SOC)[33] 정적 계산 포함. 광학 특성 결정 위해 준입자 에너지 그린 함수 이론 유도 GW 방법[34]으로 먼저 획득. 정적 계산 파동 함수, GW 계산 준입자 에너지 베테-살페터 방정식(BSE) 계산[35] 수행 유전 상수 예측.

벌크 결정 모델 MoS₂ 플레이크 표현(5층 이상 적층 시 광학 특성 차이 무시 가능[36]). 최적화 계산 에너지 컷오프 400 eV, Monkhorst-Pack k-포인트 세트 15×15×4 브릴루앙 존 샘플링 사용. 격자 매개변수 먼저 최적화 후 변형 MoS₂ 플레이크 후속 계산 기준. 최적화 격자 매개변수 a = b = 3.18 Å, c = 13.87 Å. 기하 에너지 10^–5 eV 수렴까지 완화. 선행 문헌[37] 기술 채택, 광학 계산 에너지 컷오프 300 eV, k-포인트 세트 6 × 6 × 2 사용. 정적 에너지 모든 계산 10^–6 eV 수렴. 회절 패턴 헬름홀츠-키르히호프 정리[38] 기반 시뮬레이션. 추가 파일 1 상세 내용.

스펙트럼 측정용 MoS₂ 시료 제조

MoS₂ 박막 상용 MoS₂ 단결정(SPI Supplies)서 기계적 박리, 테이프로 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 전이. 전이 후 플레이크와 기판 위 또 다른 PDMS 층 제조해 접착력 강화.

유연 기판上 MoS₂ 격자 제조

MoS₂ 박막 상용 MoS₂ 단결정(SPI Supplies)서 기계적 박리, 테이프로 PDMS 기판 전이. 격자 소자 제조 위해 MoS₂ 플레이크 전자빔 리소그래피(EBL)로 격자 구조 패터닝. 패턴 시료 20 W 산소 플라즈마 식각. 최종 PMMA 세척으로 MoS₂ 기반 격자 소자 획득.

MoS₂ 소자 측정

슈퍼컨티넘 백색광원(NKT Photonics SuperK Compact) 여기 레이저 사용, 한 조리개 통과해 플레이크 시료나 격자 시료 특정 각도로 샘플 평면 상대적 조사(그림 1). 반사율 측정 시 반사 레이저 광섬유 통해 분광기 연결 수집. 분광기 측정 데이터로 다른 변형 하 반사율 스펙트럼 계산. MoS₂ 격자 테스트 위해 반사 레이저 백색 보드 투영, 긴 타원형 빛 반점 나타남. 빛 반점 사진 강도 분포 분석용.

결과 및 토의

전통적 반사 격자 센서에서 평행 격자 스트립 주기 구조 빛 회절, 회절 이용 격자 주기 방향 방향 변형 회절 패턴 위치 이동 모니터링으로 측정[11]. 주기 구조 방향 때문에 반사 격자 변형 감지 기능 평면 내 단축 변형 게이지(주기 방향 평행)로 제한. 반사 격자 기능 평면 내 이축 변형 게이지용 확장 위해 격자 소재 고유 광학 특성, 예: 소재 반사율 변형 민감도 추가 변형 센서로 고려해 주기 방향 수직 평면 내 변형 성분 검출 제안.

MoS₂ 층상 구조: Mo 원자 층 두 S 원자 층 사이 샌드위치. 층간 상호작용 약한 반데르발스 힘. 여기 MoS₂ 플레이크 기반 반사 격자 센서 설계(그림 1) 제1원리 계산으로 다양한 평면 내 이축 변형 하 소자 회절 패턴 조사. 입사빔 파장 범위 계산 400-850 nm. 회절 격자 다음 식 설명:

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

여기서 $d$ 인접 격자 스트립 간 거리, ${\theta }_{i}$ 입사빔과 격자 법선 사이 각도, ${\theta }_{m}$ 회절빔 최대일 때 회절빔과 법선 사이 각도, n 회절 차수, $\lambda$ 빔 파장[11]. 식 (1)서 다른 $\lambda$ 입사빔 다른 ${\theta }_{m}$ 가져야 함. 따라서 연속 파장 빔 다른 ${\theta }_{m}$ 대응 연속 회절 스팟 유발, 1차 회절 패턴 타원형 형성.

그림 2a 변형 미적용 설계 격자 센서 회절 패턴 시뮬레이션 이미지. 그림 2b 다양한 이축 변형 하 소자 1차 회절 패턴 강도 피크, 패턴 위치 진화 시뮬레이션. 850 nm 입사빔 대응 1차 회절 패턴 가장자리 "LW" 라벨. 평면 내 단축 인장 변형 격자 주기 방향(${\varepsilon }_{x}$) 적용 시 이 변형 각 스트립 간 간격 d 증가 유도. 결과적 주어진 $\lambda$ 고정 ${\theta }_{i}$ 대해 $d\mathrm{sin}{\theta }_{m}$ 상수이므로 ${\theta }_{m}$ 감소. 따라서 변형 ${\varepsilon }_{x}$ 0-4.3% 점진적 증가 시 1차 회절 패턴 각 점 위치 해당 빔 파장 비례 관계로 0차 회절 스팟 중심 쪽으로 이동, 전통적 반사 격자 센서 기능[11]과 일치.

더 긴 파장 $\lambda$ 입사빔 더 큰 ${\theta }_{m}$ 변이 가져 LW 가장자리 가장 명백한 위치 이동. 그러나 평면 내 인장 변형 격자 주기 방향 수직(${\varepsilon }_{y}$) 동시에 적용 시 1차 회절 패턴 내 강도 피크 이동 관찰, 그림 2b 점선 표시. 변형 ${\varepsilon }_{y}$ 0-5% 증가 시 강도 피크 0차 회절 스팟 중심서 더 멀어짐. 이 강도 분포 피크 이동 변형 유도 MoS₂ 반사율 변조 기인. 선행 문헌 외부 변형으로 MoS₂ 반사율 스펙트럼 조절 가능 보고[28], 반사율 반사 격자 회절빔 입사빔 강도 비율과 동일. 따라서 MoS₂ 격자 회절 다른 파장 빔 강도 평면 내 변형으로 변조 가능. 한편 LW 가장자리 위치 이동 없음 ${\varepsilon }_{y}$ 격자 주기 영향 없기 때문.

그림 3a MoS₂ 격자 벡터 ${\varvec{b}}$ 방향 단축 인장 변형 적용 시 반사율 스펙트럼 피크 이동 선형 거동. 이 단축 인장 변형 MoS₂ 반사율 피크 위치 적색 이동 유발. 그러나 평면 내 이축 인장 변형 적용 시 반사율 피크 위치 이동 비선형 변조. 반사율 스펙트럼 피크 위치와 평면 내 이축 인장 변형 관계 2차 방정식으로 기술:

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

여기서 l, m, n 세 상수, ε_a, ε_b MoS₂ 두 격자 벡터 방향 변형 성분. 제1항 격자 벡터 ${\varvec{a}}$ 또는 ${\varvec{b}}$ 방향 단축 인장 변형 하 피크 위치 이동 선형 거동 기술. 제2항 이축 인장 변형 상황 고차 거동 기술. 제3항 무변형 MoS₂ 반사율 피크 위치. MoS₂ 격자 벡터 ${\varvec{a}}$, ${\varvec{b}}$ 대칭 등가이므로 두 방향 인장 변형 같은 기여 인자. 피팅 결과 피팅 곡선과 제1원리 계산 피크 위치 최고 차이 1.76 nm, 반사율 피크 위치 Eq. (2) 이용해 변형 계산 시 ~1‰ 변형 게이지 정밀도 한계 획득 가능 나타냄. 그림 3b 피팅 Eq. (2) 얻어진 다른 평면 내 이축 인장 변형 하 반사율 피크 위치 매핑 이미지(상세 반사율 플롯 추가 파일 1 참조).

우리 시뮬레이션 격자 벡터 ${\varvec{a}}$ 시뮬레이션 격자 주기 방향 수직. 따라서 변형 ${\varepsilon }_{y}$ = ${\varepsilon }_{a}$, 변형 ${\varepsilon }_{x}$ = $\sqrt{3}/2\times {\varepsilon }_{b}$. 우리 계산 MoS₂ 기반 격자 센서서 평면 내 변형 ${\varepsilon }_{x}$ 1차 회절 패턴 LW 가장자리 위치 이동으로 측정 가능 밝혀. 1차 회절 패턴 강도 피크 이동 기반 2차 Eq. (2) 이용해 변형 ${\varepsilon }_{x}$ 기여 피크 이동서 감산. 그 후 평면 내 변형 ${\varepsilon }_{y}$ 정량 계산 가능.

MoS₂ 반사율 변형 민감도 추가 실험 연구 위해 기계적 박리 MoS₂ 플레이크(수십 나노미터 두께; 추가 파일 1 상세) 건식 전이법으로 유연 기판 폴리디메틸실록산(PDMS) 부착(그림 4a 인셋). 이 제조 MoS₂ 소자 기판 양쪽 두 이동 스테이지 고정 기판 늘려 평면 내 단축 인장 변형 가함. 기판 두 클립 사이 길이 $L$, 길이 변화 $\delta L$로 ε$=\delta L/L$ 계산해 평면 내 단축 인장 변형 추정. 변형 0-4% 변화 시 MoS₂ 반사율 스펙트럼 피크 위치 적색 이동, 이동 크기 이론 계산과 잘 일치(그림 4a). 그림 4b, c PDMS 유연 기판上 2 μm 주기 MoS2 기반 반사 격자 센서 광학 이미지 전자빔 리소그래피 제조(방법 상세). PDMS 기판 늘려 MoS₂ 기반 격자 소자 격자 주기 방향 수직 평면 내 인장 변형 가함(그림 4d). 1차 회절 패턴 강도 분포 모니터링 시 격자 주기 방향 수직 4% 평면 내 인장 변형 도입 시 비변형 경우 대비 강도 피크 0차 스팟 중심서 더 멀어짐 관찰(그림 4e). 회절 패턴 위치 이동 없음 인장 변형 주기 방향 수직, 각 스트립 간 간격 d 거의 변화 없기 때문.

결론

요약하면 MoS₂ 기반 반사 격자 센서 사용 평면 내 이축 변형 게이지 신기술 입증. 5%까지 다양한 이축 변형 격자 수치 시뮬레이션으로 개념 테스트. 이 새 기술에서 주기 방향 변형 성분(${\varepsilon }_{x}$) 검출 격자 구조와 MoS₂ 반사율 변형 민감도 추가 센서 역할 결합해 주기 방향 수직 평면 내 변형 성분(${\varepsilon }_{y}$) 획득. 성분 ${\varepsilon }_{y}$ 2차 근사 방정식과 1차 회절 패턴 내 강도 피크 이동으로 계산. 이론 결과 실험 잘 지지. 우리 연구 유연 격자 센서 설계 길 열고 단일 격자 센서 원샷 평면 내 이축 변형 게이지 실현 새 접근법 제공. 우리 접근법 이축 변형 하 예측 가능 반사율 응답, 2차원 단일 결정 층 형성 능력 가진 다른 소재에도 적용 가능.