中科院Adv. Mater.：二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管

【前言】

兩種不同材料接觸分離可產生靜電荷并引發一個摩擦靜電場，該摩擦電場可以驅動自由電子在外部負載流通，得到脈沖輸出信號。一方面，摩擦納米發電機(TENG)就是利用了這種脈沖信號實現了將外部環境機械能轉換成電能，近期在許多領域實現了許多重大突破性進展，包括從多種機械運動獲取能源，自驅動機械感應系統，高靈敏質譜分析以及常壓下機械觸發的等離子體等。另一方面，當TENG產生的靜電場與電容性器件耦合時(例如，場效應晶體管)，半導體溝道中載流子的傳輸特性可以被摩擦電勢有效調制，也就是摩擦電子學晶體管（tribotronic transistor）。為了開發更高性能主動式摩擦電子學晶體管，針對TENG與半導體器件耦合的基礎物性研究和相關工藝工程迫切地需要更深入的探索。利用雙柵結構電容耦合，使二硫化鉬(MoS₂)摩擦電子學晶體管電流開關比超過六個數量級(10⁶)¹。平面設計以及利用直接接觸模式，同樣簡化了石墨烯摩擦電子學機械傳感器件²。然而，鑒于之前的復雜的加工工藝和較為普通的電學性能，摩擦電子學仍有巨大的研究空間。

對于場效應晶體管來說，高的柵介電層比電容可以產生更強的電場，從而在溝道中累積更多的載流子。利用電解液介電層，離子在柵電壓驅動下可以快速移動并在電解質/半導體界面聚集以補償溝道中累積的載流子，從而形成雙電層結構。該雙電層間隙只有接近一個納米左右間，幾乎承受了全部的柵極電壓降，所以會產生極強的電場，從而有效的調控半導體溝道中的載流子。這種離子調控的雙電層晶體管可應用于高性能低功耗晶體管，可打印電子器件，基礎物理研究以及生物化學傳感等。另外，該雙電層也代表了離子和電子的相互作用，也衍生了一個通過離子遷移傳輸和重新排布控制電子特性的交叉學科研究領域，即離子電子學。通過高效的雙電層調制，優異的二維超導和基于相轉換的磁各向異性已被報道。未來的物聯網時代，如何利用通過外部機械運動觸發離子遷移來獲得高性能電學器件具有重大的意義。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫其君研究員和王中林院士研究團隊基于摩擦電子學的原理，制備了一種新型的二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管(triboiontronic transistor)，該器件通過工作在接觸分離模式下的TENG產生的摩擦電勢與離子調控的二硫化鉬晶體管耦合，連接了摩擦電勢調制特性以及離子調控的半導體特性。摩擦電勢在離子凝膠和二硫化鉬半導體界面處可誘導形成超高的雙電層電容，可高效率調制溝道中載流子傳輸性能。不需要額外柵壓，二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管可主動式操控，器件表現低的閾值(75 um)和陡峭的開關特性(20 um/dec)。通過預設耦合與晶體管的摩擦電勢的初始值，摩擦離子電子學晶體管可以操作在兩個工作模式下，增強模式和耗盡模式，實現了更高的電流開關比(10⁷)以及超低的關態電流(0.1 pA)。文章展示了二硫化鉬摩擦離子電子學反相器，反相器對應增益(8.3 V/mm)，并且具有較低的功耗以及優異的穩定性。這項工作展現了一個通過外部機械指令來高效率調制二維材料半導體器件以及邏輯電路的低功耗主動式以及普適的方法，在人機交互，電子皮膚，智能傳感以及其他可穿戴器件等領域有巨大的應用前景。該研究成果以Triboiontronic Transistor of MoS₂為題發表于近期的Adv. Mater.期刊(DOI: 10.1002/adma.201806905)。

【圖文導讀】

圖1.

?(a) 摩擦電勢誘導形成雙電層結構的過程示意圖，以及相應的電荷分布。(b) 一個接觸-分離-接觸循環的轉移電荷的量化。(c) 離子凝膠MIM結構下不同頻率的比電容。(d) 離子調控的二硫化鉬晶體管的C-V曲線。?

圖2.

?(a) 二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管器件的示意圖。(b)離子調控的二硫化鉬晶體管典型的輸出特性曲線。(c) 離子調控的二硫化鉬晶體管對應的轉移特性曲線。(d) 增強模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管的工作狀態示意圖以及對應的等效電路圖。(e) 增強模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管的輸出特性曲線以及轉移特性曲線(f)。??

圖3.?

(a-c) 二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管的工作機制以及三個狀態下的能帶示意圖(增強模式，平帶，耗盡模式)。(d)兩個工作模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管輸出特性曲線以及對應的轉移特性曲線(e)，電流開關比超過七個數量級。(f)對應肖特基勢壘高度隨摩擦距離的變化，插圖是對應能帶解釋。(g-i) 二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管實時測試性能。

圖4.?

(a) 二硫化鉬摩擦離子電子學邏輯器件電路示意圖。(b) 離子調控的二硫化鉬反相器典型的電壓轉移特性曲線以及對應的電壓增益。(c) 該反相器噪聲容限。(d) 二硫化鉬摩擦離子電子學反相器工作原理以及操作流程。(e) 二硫化鉬摩擦離子電子學反相器實時測試。(f) 器件對應的轉移特性曲線以及增益。(g) 器件循環穩定性測試。

圖5.?摩擦離子電子學晶體管以及相關領域展望

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201806905

課題組其他相關文章：

1.Gao, B. Wan, X. Liu, Q. Sun,* X. Yang, L. Wang, C. Pan,* and Z. L. Wang*, Tunable Tribotronic Dual-Gate Logic Devices Based on 2D MoS₂and Black Phosphorus, Adv. Mater.?30, 1705088, 1702076 (2018)

2.Meng, J. Zhao, X. Yang, C. Zhao, S. Qin, J. H. Cho, C. Zhang,* Q. Sun,* and Z. L. Wang*, Mechanosensation-Active Matrix Based on Direct-Contact Tribotronic Planar Graphene Transistor Array, ACS Nano, 12, 9381 (2018)

本文由材料人中科院北京納米能源與系統研究所孫其君和王中林研究團隊供稿，編輯部編輯。

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