【Nano Energy】二维压电电子学：界面调控和沟道调控

来源：北京纳米能源与系统研究所

电信号和机械运动之间的自适应和无缝连接对于人机界面，智能皮肤和机器人等技术至关重要。机械信号在环境中大量存在，例如振动，生物运动等，利用这类信号产生电能可以为纳米器件供电并且控制电子信号。然而，直接将机械信号与当前电子技术实现有效的连接仍然存在一定的困难。常用的方法是使用对机械刺激敏感的压力传感器。来自这类压力传感器的信号可以通过传统电子设备检测和记录，但它们不能用于进一步控制电子设备，即被动式电子学。因此，迫切需要一种革新的技术能够将机械信号与电子设备进行智能的结合。 

王中林院士于2006年利用氧化锌纳米线受应力时产生的压电电势来调控场效应晶体管的载流子输运特性，并且首次提出了压电电子学的概念，创新地利用机械信号来直接产生数字控制信号，即主动式电子学。压电电子学器件是一种利用完全不同于传统CMOS器件工作原理的新型器件。这类器件利用金属-压电半导体界面处产生的压电极化电荷(即压电电势)作为门极电压来调控器件中载流子的输运特性，利用界面调控替代了传统的外部沟道调控。然而，目前对于压电电子学器件的研究主要集中在一维微/纳米线，这类材料的尺寸大都在数十微米甚至数百微米。后续报道了基于二维过渡金属硫族化合物的压电电子学器件的研究，这类材料具有面内压电特性，其工作原理与基于一维纳米线的压电电子学器件的工作原理相同，仍然是基于界面处肖特基势垒高度的调控。 

近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家，佐治亚理工学院校董教授王中林院士和兰州大学秦勇教授的指导下，王龙飞博士和刘书海博士生等研究成员首次研究了基于超薄氧化锌的二维压电电子学：界面调控和沟道调控。不同于一维纳米线以及二维过渡金属硫族化合物，这类二维材料具有面外压电特性，当材料受到垂直应力/应变的时候，压电极化电荷积累在材料上下表面。由于材料厚度只有几个纳米，不仅界面调控有效地增强，沟道调控也变得极为显著。同时该工作也系统地研究了基于不同厚度氧化锌的二维压电电子学。这项研究进一步证实了压电极化电荷在超短沟道中“门控”效应的有效性，不仅深入阐述了二维压电电子学，更为同时具有平面外压电特性和半导体特性的二维材料在纳米机电器件中的应用开辟了道路。相关研究成果以 “2D piezotronics in atomically thin zinc oxide sheets: interfacing gating and channel width gating”发表在Nano Energy上(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.076)。 

基于超薄氧化锌的二维压电电子学器件的示意图（左）。二维压电电子学的物理机制：利用应力/应变诱导的压电极化电荷进行界面调控以及沟道调控（右）。