CVD成長WS2を用いた安定かつ高性能な圧電センサ

Stable and High-Performance Piezoelectric Sensor via CVD Grown WS2.

• Junyoung Kim
• Eunho Lee
• Tae Kyu An

抄録

圧電材料は、ナノスケール電子デバイスの様々なセンサやアクチュエータの電気機械的結合体として広く使用されています。圧電デバイスの大部分は、二次元遷移金属ジカルコゲナイド（2D TMD）のような活性材料の横にカウンター電極の横方向のパターニングを表示します。その結果、それらの圧電出力応答は2次元TMD結晶構造の格子配向に強く依存し、圧電特性が制限されている。この問題を克服するために、コンフォーマルコンタクトを用いた垂直サンドイッチ構造の圧電センサを作製し、全体的な圧電性能を向上させました。さらに、2次元WS2の圧電特性を向上させるために、独自の溶媒-蒸気アニール法を用いて硫黄欠損WS2(1-x)構造を作製したところ、3kPa圧縮時の圧電応答電圧が原始状態のWS2の3倍（96.74mV）となりました。また、私たちのデバイスは安定しており、大気中の条件で1ヶ月後にも圧電性能を維持していることがわかりました。本研究により、非対称に設計された2次元WS2構造を用いて、大規模な圧電デバイスを簡単に作製できる方法論が明らかになった。

Piezoelectric materials are widely used as electromechanical couples for a variety of sensors and actuators in nanoscale electronic devices. The majority of piezoelectric devices display lateral patterning of counter electrodes beside active materials such as two-dimensional transition metal dichalcogenides (2D TMDs). As a result, their piezoelectric output response is strongly dependent on the lattice orientation of the 2D TMD crystal structure, limiting their piezoelectric properties. To overcome this issue, we fabricated a vertical sandwich design of a piezoelectric sensor with a conformal contact to enhance the overall piezoelectric performance. In addition, we enhanced the piezoelectric properties of 2D WS2 by carrying out a unique solvent-vapor annealing process to produce a sulfur-deficient WS2(1-x) structure that yielded a 3-fold higher piezoelectric response voltage (96.74 mV) than did pristine WS2 to a 3 kPa compression. Our device was also found to be stable: it retained its piezoelectric performance even after a month in an ambient atmospheric condition. Our study has revealed a facile methodology for fabricating large-scale piezoelectric devices using an asymmetrically engineered 2D WS2 structure.

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