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【Nano Energy】二維壓電電子學:界面調控和溝道調控
發表日期: 2019-04-12 文章來源:
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  電信號和機械運動之間的自適應和無縫連接對于人機界面,智能皮膚和機器人等技術至關重要。機械信號在環境中大量存在,例如振動,生物運動等,利用這類信號產生電能可以為納米器件供電并且控制電子信號。然而,直接將機械信號與當前電子技術實現有效的連接仍然存在一定的困難。常用的方法是使用對機械刺激敏感的壓力傳感器。來自這類壓力傳感器的信號可以通過傳統電子設備檢測和記錄,但它們不能用于進一步控制電子設備,即被動式電子學。因此,迫切需要一種革新的技術能夠將機械信號與電子設備進行智能的結合。 

  王中林院士于2006年利用氧化鋅納米線受應力時產生的壓電電勢來調控場效應晶體管的載流子輸運特性,并且首次提出了壓電電子學的概念,創新地利用機械信號來直接產生數字控制信號,即主動式電子學。壓電電子學器件是一種利用完全不同于傳統CMOS器件工作原理的新型器件。這類器件利用金屬-壓電半導體界面處產生的壓電極化電荷(即壓電電勢)作為門極電壓來調控器件中載流子的輸運特性,利用界面調控替代了傳統的外部溝道調控。然而,目前對于壓電電子學器件的研究主要集中在一維微/納米線,這類材料的尺寸大都在數十微米甚至數百微米。后續報道了基于二維過渡金屬硫族化合物的壓電電子學器件的研究,這類材料具有面內壓電特性,其工作原理與基于一維納米線的壓電電子學器件的工作原理相同,仍然是基于界面處肖特基勢壘高度的調控。 

  近日,在中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家,佐治亞理工學院校董教授王中林院士和蘭州大學秦勇教授的指導下,王龍飛博士和劉書海博士生等研究成員首次研究了基于超薄氧化鋅的二維壓電電子學:界面調控和溝道調控。不同于一維納米線以及二維過渡金屬硫族化合物,這類二維材料具有面外壓電特性,當材料受到垂直應力/應變的時候,壓電極化電荷積累在材料上下表面。由于材料厚度只有幾個納米,不僅界面調控有效地增強,溝道調控也變得極為顯著。同時該工作也系統地研究了基于不同厚度氧化鋅的二維壓電電子學。這項研究進一步證實了壓電極化電荷在超短溝道中門控效應的有效性,不僅深入闡述了二維壓電電子學,更為同時具有平面外壓電特性和半導體特性的二維材料在納米機電器件中的應用開辟了道路。相關研究成果以 “2D piezotronics in atomically thin zinc oxide sheets: interfacing gating and channel width gating”發表在Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.076) 

基于超薄氧化鋅的二維壓電電子學器件的示意圖(左)。二維壓電電子學的物理機制:利用應力/應變誘導的壓電極化電荷進行界面調控以及溝道調控(右)。

評 論
 
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