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纳米尺度下实现电子器件的摩擦调控

随着世界逐渐步入物联网和5G网络时代,电子设备的发展不断趋于小型化、多功能化和智能化。在未来,通过将各种电子器件集成到智能微系统以及大规模网络中,可以实现物联网在环境监测、人机交互、医疗健康等领域的广泛应用。所以,面对数量巨大的电子器件的使用,需要解决电池寿命有限的供电问题;另一方面,建立电子器件和外部环境的直接交互机制,实现主动式的信息获取也是十分必要的。2012年,以麦克斯韦位移电流第二项为理论根基的摩擦纳米发电机(TENG)的提出,实现了外部机械运动向电信号的有效转化。因此,TENG可以作为电源和主动式传感器,展示了在便携式电子产品、环境监测以及健康医疗设备等领域的广泛应用前景。


2014年,中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛点击查看介绍团队研制了接触起电栅控型晶体管,实现了以TENG的输出电压作为晶体管的栅极电压,从而对半导体的载流子输运进行调控,并基于此提出了摩擦电子学的概念。摩擦电子学作为一个全新的领域,主要是研究摩擦电和半导体的耦合效应与交互作用。随后开发了一系列摩擦电子学功能器件与应用,体现了外部机械运动对于电子器件的摩擦电调控,建立了电子器件与外部环境的直接交互机制。然而,对于目前绝大多数的摩擦电子学功能器件,其与外部环境的交互界面均为宏观尺度,这大大限制了摩擦电子学器件的集成化和模块化。当尺度减小到微/纳米时,摩擦电与半导体的相互作用是否还存在,这对于摩擦电子学是一个亟待回答的问题。


针对上述问题,张弛团队通过结合接触模式的原子力显微镜(C-AFM, contact-mode atom force microscope)和扫描开尔文探针显微镜(SKPM, scanning kelvin probe microscope)研制了纳米尺度摩擦起电调控的晶体管(NTT, nanoscale triboelectrification gated transistor)。该器件是通过直径为20 nm的AFM探针与顶栅介电层(SiO2)在5 μm×5 μm的沟道区域内进行摩擦起电产生静电势,进而对半导体中的载流子输运进行调控。其中由纳米尺度摩擦起电产生的电势差会随着AFM探针扫描次数的增加而增加,并且在扫描两次后达到-1.5 V的饱和值,相应的源漏电流也会从138 μA增加至280 μA。同时,电势差以及源漏电流也会分别随着接触力的增加和扫描速度的减小而达到饱和值。此外,在扫描区域变化以及电荷耗散存在的情况下,NTT的调控特性也得到了验证。


进一步的通过外加探针电压的方式,纳米尺度摩擦起电产生的电势差可以在-5 V到2 V之间变化,进而可以作为可复写的浮栅实现了源漏电流在125 μA到443 μA之间的任意调控。该研究首次在实验上实现了纳米尺度下对电子器件的摩擦电调控,证明了微纳尺度下摩擦电子学器件的可行性,有助于深入理解摩擦电子学的理论机制,并有望用于纳米电子器件、微纳电子电路、微纳机电系统等领域。


这一成果近期发表在Nature Communications上,文章的第一作者是中科院北京纳米能源所博士研究生布天昭和副研究员许亮


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Nanoscale triboelectrification gated transistor

Tianzhao Bu, Liang Xu, Zhiwei Yang, Xiang Yang, Guoxu Liu, Yuanzhi Cao, Chi Zhang, Zhong Lin Wang

Nat. Commun., 2020, 11, 1054, DOI: 10.1038/s41467-020-14909-6


张弛研究员简介


张弛,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员,博士生导师,国家基金委“优青”获得者,北京市青年拔尖团队带头人、科技新星,中国科学院青年创新促进会会员,中国新锐科技人物。2004年获华中科技大学学士学位,2009年获清华大学博士学位,曾赴日本NSK精工株式会社研修。主要从事纳米发电机和自驱动微系统领域研究,开创了摩擦电子学新研究方向。发表论文100余篇,引用3200多次;获授权国内外专利30多项;出版中英文专著2章;做国际会议邀请报告20余次。主持国家和省部级科研项目10余项。获评北京市科学技术二等奖、Nano Res. 期刊高被引论文奖等。现任中国微米纳米技术学会高级会员、青年工作委员会委员、微纳传感技术分会/微纳执行器与微系统分会理事,NANOSMAT学会会士,IEEE T. Nanotechnol. 期刊副编辑。


https://www.x-mol.com/university/faculty/148357


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