Study on strain-induced piezoelectric response in two-dimensional layered molybdenum disulfide
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan University, 2023
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan University : Department of Advanced Materials Science and Engineering 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
이차원 MoS2 기반 변형 유도 압전 효과 제어에 대한 연구
형태사항
141 p. : ill., charts ; 30 cm
일반주기명
Advisor: Sang-Woo Kim
Includes bibliographical reference
UCI식별코드
I804:11040-000000173648
DOI식별코드
소장기관
The rapid developments of microelectromechanical systems (MEMS) and nanoscale electronics demand high-performance piezoelectric devices. 2D piezoelectric materials are ideal candidates due to their superior electronic properties and the excellent mechanical properties. In chapter 1, the background of 2D piezoelectric materials was introduced firstly.
When a force is applied to a material, triboelectric, flexoelectric or piezoelectric phenomena may occur on the contacting surfaces. In chapter 2, We report that charge transfer is a result of the interaction between flexoelectricity and triboelectricity in the presence of a strain gradient, and that the output performance of triboelectric nanogenerators can be enhanced when the direction of charge transfer for both effects is the same. When they are in opposite directions, the direction of charge transfer will be indeterminate, mainly depending on the result of competition between flexoelectric and triboelectric effects. This finding provides important information about the triboelectric effect and can further develop the nanopatterning of the material surface to design better and more efficient triboelectric nanomaterial generators. In the chapter 3 and 4, we study the influence of strain gradient on the piezoelectric responses.
In chapter 3, we present a new insight to overcome a low output performance of PENGs with 2D materials by adopting the additive strain concentration concept. A simulation study shows a concentrated strain in the MoS2 monolayer can increase up to around 4% from the wavy structure made by the pre-stretched PDMS, and additively enhance by flexural deformation. Based on this study, we have developed a concentrated strain-applied PENGs based on MoS2 monolayer, generating the highest output performance ever reported.
In chapter 4, we succeeded in developing a novel strategy to apply strain to 2D materials. By using a substrate with polystyrene beads array, the modulatable strain can be applied to MoS2 layers to give them an out-of-plane prepolarization, resulting in a piezoelectric response. The van der Waals (vdWs) interactions of MoS2-gold and MoS2-MoS2 are also studied in this chapter, and the results show that the bilayer MoS2 has the high piezoelectric coefficient of 14.3 pm/V in the most strained MoS2 bilayer, which is the highest value measured for a 2D material so far.
Lastly, we summarize the above work and give a perspective in chapter 5. As we all know that the two-dimensional piezoelectric effect has not been extensively studied. In addition to the interlayer vdWs interaction, strain gradient, there are other unknown factors that may affect the piezoelectric response. We provide some meaningful research directions in the final chapter.
Microelectromechanical systems (MEMS) 기술과 나노 스케일의 전자기기 분야가 급격히 발전함에 따라 고성능 압전 소자의 필요성이 증가하였다. 이에 대해, 2D 압전 물질은 뛰어난 전기적 및 기계적 특성을 가지고 있어 적합한 물질로 평가받고 있다. 본 논문의 1장에서는 2D 압전 물질에 대한 이론적인 배경을 간략하게 소개한다.
본 논문의 2장에서는, 변형 구배가 인가된 환경에서 마찰전기 출력을 측정할 때, flexoelectricity와 마찰전기 간의 전하 이동 방향이 동일하다면, 전하 이동은 두 효과 간의 상호작용으로 인해 향상될 수 있다는 것을 제안한다. 이 뿐만이 아니라, flexoelectricity와 마찰전기 간의 전하 이동 방향이 반대로 형성된다면, 두 효과 간의 상호작용으로 인해 전하 이동이 조절될 수 있다는 것을 확인하였다. 이러한 발견은 마찰전기 효과의 핵심 요소로서 적용될 수 있으며, 더 나아가 나노 스케일 전자기기의 물질 선별에도 중요한 기준이 될 수 있다. 3장과 4장에서는, 압전 특성에 변형 구배가 미치는 영향에 대해서 소개한다.
본 논문의 3장에서는, 기존 2D기반 압전 나노발전기의 낮은 출력 성능 문제를 해결하기 위해 부가적인 concentrated-strain 인가방식을 제안한다. 시뮬레이션 연구를 통해, MoS2 단층에서의 concentrated-strain이 pre-stretched PDMS으로 인해 만들어진 wavy 구조내에서 약4 %까지 증가될 수 있으며, 굴곡 변형에 의해서도 부가적으로 향상될 수 있다는 것을 확인했다. 이번 연구를 통해, MoS2 기반 concentrated-strain이 인가된 압전 나노발전기를 개발하였으며, 해당 소자의 출력은 현재까지 보고된 소자의 출력 중 가장 높은 값을 가진다.
본 논문의 4장에서는, 2D 압전 물질에 변형을 인가하기 위한 새로운 방식을 제안한다. Polystyrene beads array 기판을 사용함으로써 조절해준 변형정도를 통해 MoS2 층에 out-of-plane 분극을 인가하여 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, MoS2-Au와 MoS2-MoS2 층의 반데르발스 상호작용이 MoS2 이중층의 압전 상수에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 다루며, 해당 연구를 통해 MoS2 이중층의 압전 상수가 14.3 pm/V의 값인 것을 확인하였으며, 이는 현재까지 확인된 2D 물질 중에서 가장 높은 값을 가진다.
본 논문의 5장에선, 이 논문에 대한 전체적인 요약과 2D 압전 물질 분야의 전망에 대해 다룬다. 현재까지 기존 2D 물질 연구분야에서는 압전 특성에 대한 많은 연구가 이루어지지 않았다. 이 뿐만이 아니라, 이전 연구에서는 압전 특성에 영향을 줄 수 있는 2D 물질간 반데르발스 상호작용, 변형구배에 대해서도 많은 연구가 진행되지 않았다. 이러한 관점에서, 본 논문의 마지막 5장에서는 기존 연구와는 다른 중요한 연구 방향을 제시한다.
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