【Advanced Materials】机械力调控的压电电子学隧道结

来源：北京纳米能源与系统研究所

　　在经典情况下，能量小于势垒高度的载流子将被势垒完全限制或者约束。而根据量子力学理论，载流子的波动特性不可忽视。当势垒足够薄时，载流子将有一定的几率隧穿通过势垒。隧穿几率与势垒形状和势垒两侧的载流子浓度呈现指数关系，这使得隧道结通常具有较大的隧穿电阻开关比（可高达103~105）。同时，由于隧穿现象是一种多数载流子效应，载流子穿过势垒的隧穿时间不受常规渡越时间的支配，而受单位时间量子跃迁几率的支配，因此隧道结通常具有较快的响应速率。基于这些优点，量子隧穿器件通常同时具有高开关比和快速响应的优点。Esaki二极管、约瑟夫森超导结（STJ）、磁隧道结（MTJ）和最近的铁电隧道结（FTJ）是众所周知的示例，受到了广泛的关注。不过，到目前为止，大多数工作都集中在利用电场或磁场来直接调控势垒高度或者势垒两侧的载流子许可态，从而实现对隧道结电输运特性的调控。这种调节机制实现了高频振荡器、非易失性存储器和磁场传感器等十分广泛的应用。截至目前，利用机械驱动力来对隧道结进行调控的调剂机制尚未出现。而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。倘若能够开发出应力调控的隧道结，结合隧道结自身的优异性能，这将在人机界面、电子皮肤等领域具有重要的意义。因此，设计一种全新的方案以实现机械驱动力对量子隧穿效应的调控具有重大的价值。 

　　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秦勇教授的指导下，刘书海、王龙飞和冯晓龙等研究成员首次提出了一种具有金属/绝缘体/压电半导体异质结构的新型压电电子学隧道结（PTJ）。这种隧道结的势垒高度和宽度能够同时被压电极化电荷调控，实现了较高的灵敏度、较大的开关电流比和较快的响应速率。同时该工作也系统地研究了基于不同厚度绝缘层的压电电子学隧道结。这项研究不仅深入阐述了压电电子学效应对量子隧穿效应的调控机理，而且还展示了压电电子学隧道结在力学传感和电子皮肤等应用中的潜在应用潜力。相关研究成果以 “Piezotronic Tunneling Junction Gated by Mechanical Stimuli”为题发表在Advanced Materials上。 

(https://doi.org/10.1002/adma.201905436)。