《MRS Bulletin》專刊：基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學

【引言】

以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導體材料已經在消費電子，5G通訊，電動汽車，光電通信等諸多新興領域得到廣泛應用。這些寬禁帶材料同時也具有非中心對稱的晶體結構，因而表現出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導體特性的耦合過程長期以來被忽略。

針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。

壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。該期專刊的八篇綜述文章從基礎材料特性，相關效應的物理過程，器件設計和應用，及理論計算和分析等角度全方位地回顧了壓電電子學和壓電光電子學的最新學科進展，并對未來的研究趨勢做了深入討論。

專輯：https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/issue/piezotronics-and-piezophototronics/F81BA08F5CEB914528A9C5C47DD8B407

【圖文導讀】

【成果一】壓電電子學與壓電光電子學理論

電子科技大學張巖教授與美國喬治華盛頓大學冷永生教授，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所Morten Willatzen教授，以及香港理工大學黃博龍教授合作在MRS Bulletin上發表了題為“Theory of Piezotronics and Piezo-phototronics”的綜述論文。文章從壓電電場調控壓電半導體結區、金屬壓電半導體以及壓電半導體異質界面，壓電電場載流子產生、復合及輸運特性的調控模型為基礎，系統總結了壓電電子學與壓電光電子學的基本理論。 作者從計算與模擬壓電半導體材料的物理特性與器件特性的不同研究角度，分別詳細介紹了密度泛函、分子動力學以及有限元方法，從不同角度總結了計算驅動下的壓電半導體材料設計優化以及壓電電子學與壓電光電子學器件性能優化的理論、計算與器件仿真方法。此外，作者總結了壓電電場調控量子器件的模型和理論，如壓電電場調控拓撲絕緣體特性等。文章不僅對近年來壓電電子學與壓電光電子學理論進展和器件應用作了總結和介紹，同時也為設計和發展新型高性能量子壓電電子學與壓電光電子學器件的基礎理論與設計仿真提供了新的平臺與思路。(Zhang, Y., Leng, Y., Willatzen, M., & Huang, B. (2018). Theory of piezotronics and piezo-phototronics. MRS Bulletin, 43(12), 928-935. doi:10.1557/mrs.2018.297)

a 壓電電子學效應調控拓撲絕緣體；（i）CdTe/HgTe/CdTe拓撲絕緣體，（ii）能帶圖b 壓電效應調控拓撲絕緣體輸運特性；（i）外力調控電導臺階，（ii）邊沿態電子密度分布

【成果二】壓電電子學材料和大規模壓電電子學陣列器件

中科院納米能源所胡衛國研究員、新南威爾士大學Kourosh Kalantar-zadeh教授和成功大學Chuan-Pu Liu教授在期刊MRS BULLETIN撰寫了《壓電電子學材料和大規模壓電電子學陣列器件》的綜述論文，系統回顧了壓電電子學分立器件到大規模壓電集成電路的最新進展，以及展望將來壓電電子學材料器件的研究和應用。其中，壓電電子學分立式器件介紹了壓電電子學起源和基礎理論，從一維ZnO納米線到II-VI、III-V族纖鋅礦半導體的壓電電子學效應，極化軸取向依存性和載流子屏蔽效應，以及復合異質結結構的壓電電子學效應，分立式應變柵極晶體管等重要進展。大規模壓電電子學陣列器件則重點闡敘第一個92 × 92 應變柵極晶體管陣列的原理、工藝、器件性能和新興的應力空間成像應用，并追蹤報道了大規模壓電集成電路在成像分辨率、成像存儲復合功能等代表性研究成果。最后，作者們總結當前研究進展，預測下一步壓電電子學材料研究的新興方向，和展望人機交互、機器人、植入式設備、柔性電子設備、電子皮膚等重要前沿。該綜述是追蹤壓電電子學領域進展的重要指南。(Hu, W., Kalantar-Zadeh, K., Gupta, K., & Liu, C. (2018). Piezotronic materials and large-scale piezotronics array devices. MRS Bulletin, 43(12), 936-940.)

（a）壓電電子學基礎理論

（b）分立式GaN變柵極晶體管

（c）復合AlGaN/AlN/GaN異質結結構的壓電電子學效應

【成果三】壓電電子學傳感器

德國達姆施達特工業大學Jürgen R?del 教授和Till Fr?mling教授，美國亞馬遜實驗室于若蒙研究員，德國基爾大學Rainer Adelung教授共同在MRS Bulletin上發表了題為“Piezotronic sensors”的綜述文章。文章歸納了壓電電子學效應能夠利用壓電勢調節和控制界面或結區載流子傳輸特性，也進一步分析了壓電電子學效應與光學、化學和磁場的耦合效應及傳感器應用，并系統地闡明了應力顯著影響這些材料物理參數的工作機理。例如對于一種磁致伸縮材料，當其與一個壓電系統耦合時，就可以相當靈敏地探測到應力與形變量之間的對應關系。此外，對于其在化學和光學傳感器的應用中可以發現，壓電光子學效應或壓電光電電子學效應可以大大提高期間的傳感性能。同時，文章介紹了這些應力傳感器、光學傳感器（尤其是紫外線范圍內的傳感器），化學觸感器（氣相和液相）和通過壓電-磁致伸縮耦合傳感器各自的優點。最后，作者總結了當前的研究進展，展望了壓電電子學材料在各種類型的環境傳感器（如輻射傳感器）、人體接口和醫療應用中的應用前景。(Fr?mling, T., Yu, R., Mintken, M., Adelung, R., & R?del, J. (2018). Piezotronic sensors. MRS Bulletin, 43(12), 941-945.)

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（a）基于壓電電子學和磁場耦合效應的應力探測

（b）壓電電子學效應增強的pH傳感器

?【成果四】壓電電子學調控的光電化學催化

美國威斯康星大學麥迪遜分校王旭東教授，卡內基梅隆大學Gregory S. Rohrer教授，和中國上海師范大學李和興教授共同在MRS Bulletin上發表了題為“Piezotronic Modulations in Photo- and Electrochemical Catalysis”的綜述文章。文章系統總結了壓電電子學在電化學，特別是光/電催化方面的原理和應用。文章首先介紹了表面電荷對固-液界面的電子能帶的作用。然后深入討論了如何通過壓電電子學原理對光催化，光電化學和電化學過程進行操控，以及在能量收集方面的最新進展。文章最后介紹了壓電催化的概念。這一過程是機械能和化學能的直接轉化，并被用于水分解反應。文章提出的壓電電子學能夠給電化學催化帶來新的思路和影響。(Wang, X., Rohrer, G., & Li, H. (2018). Piezotronic modulations in electro- and photochemical catalysis. MRS Bulletin, 43(12), 946-951.)

（a）鐵電鈦酸鋇表面表現出與極化方向相應的電化學沉積特性

（b）鈦酸鋇薄膜的極化能大幅提高水分解的光電流

（c）壓電催化的基本過程

【成果五】壓電光電子學效應調控的納米光電器件

中科院納米能源所潘曹峰研究員、鮑容容副研究員、北京大學胡又凡研究員與浙江大學楊青教授在MRS Bulletin上發表了題為“Piezo-phototronic effect on optoelectronic nanodevices”的綜述論文。文章總結了壓電光電子效應對光電納米器件，如光開關、太陽能電池、發光二極管以及高分辨壓力傳感器等領域的性能調節相關研究。作者首先介紹了壓電光電子效應的基本原理，以及相關納米材料的制備與調控。進而分布介紹了壓電光電子效應對各種納米光電器件工作過程中界面能級以及載流子注入、遷移、復合等過程的調控，最終實現器件性能的提升已經新器件性能的設計。最后，文章介紹了利用基于壓電光電子效應調控光強的納米LED陣列，實現了性能遠超過人體皮膚的超高空間分辨率可視化應力分布傳感器的相關研究。該論文從理論到應用全面總結了壓電光電子效應近年來的代表性工作，為新型、高性能納米光電器件的制備提供了新的途徑與設計思路。(Bao, R., Hu, Y., Yang, Q., & Pan, C. (2018). Piezo-phototronic effect on optoelectronic nanodevices. MRS Bulletin, 43(12), 952-958.)

（a）壓電光電子效應對光開關陣列性能調控

（b）基于壓電光電子效應LED陣列的的超高空間分辨率可視化壓力分布傳感器

【成果六】二維材料中的壓電電子學與壓電光電子學

中科院納米能源所翟俊宜研究員和沙特國王科技大學何志浩教授合作在MRS Bulletin上發表了題為“Piezotronics and piezo-phototronics in two-dimensional materials”的綜述論文。文章系統總結了二維材料特別是過渡金屬硫族化合物（典型代表MoS2）中的壓電電子學和壓電光電子學效應，即利用應變下二維材料產生的面內壓電勢為柵壓調節載流子的輸運和分離過程。作者首先詳細介紹了二維材料中壓電電子學和壓電電子學效應的基本工作機制；其次介紹了二維材料中這兩種效應的具體應用（如光電探測和氣體傳感等）；最后介紹了復合壓電電子學效應，即利用外部壓電勢調節半導體內載流子輸運過程。文章對近年來的有代表性研究和工作進行了總結和介紹，為新型壓電電子學和壓電光電子學器件的設計提供參考和思路。(Liu, Y., Wahyudin, E., He, J., & Zhai, J. (2018). Piezotronics and piezo-phototronics in two-dimensional materials. MRS Bulletin, 43(12), 959-964.)

（a） 單層MoS2壓電電子學器件

（b ）壓電電子學效應對單層MoS2的非對稱調制

（c） 壓電光電子學效應對光電流的調制機理

【成果七】壓電光子學：從基礎，到材料及應用

香港理工大學郝建華教授和日本產業技術綜合研究所徐超男教授（共同通訊）合作在MRS Bulletin上發表了題為“Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications”的綜述論文。文章系統總結了壓電光子學效應的基本原理，材料的選擇到應用。壓電光子學是材料的壓電性質和光激發的耦合效應。金屬激活離子可以在這過程中扮演重要作用。首先作者介紹了壓電光子學的基本原理包括力致發光；其次介紹了有代表性材料的具體應用，譬如基于壓電光子學效應的磁場耦合多色發光等；最后文章對近年有代表性研究和工作進行了總結和介紹，為新型壓電光電子學器件，磁光學傳感，非破壞性環境監測，新型光源和顯示技術等領域的應用和發展提供重要參考和思路。(Hao, J., & Xu, C. (2018). Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications. MRS Bulletin, 43(12), 965-969.)

（a）壓電光子學和磁致發光的耦合示意圖

（b）壓電光子學效應所用的金屬離子常用元素

（c） 壓電光子學效應發光的能級圖

（d）多場激發的發光示意圖

本文由中國科學院北京納米能源與系統研究所供稿，材料人編輯部編輯。

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