梳理：程綱團隊基于摩擦納米發電的表面離子柵光電器件的工作進展

Alisa 4年前 (2019-05-25) 12054瀏覽

程綱教授?2008年獲得吉林大學博士學位，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室教授。2006-2007年，香港中文大研究助理，合作導師：黃家偉教授，杜若虛教授。2013-2016年，美國佐治亞理工學院訪問學者，合作導師：王中林院士。

2015年獲得國家優青。程教授致力于借助納米結構所具有的特異性能，以“發展新型高性能光電納米器件”為目標導向。通過設計構筑特定的納米結構，揭示并進而調控納米結構下的特殊物性，發展了多種高性能納米器件。在納米結構的構筑、表界面光電特性的表征和調控、自驅動光電納米器件方面開展了系統的研究工作。迄今為止，程教授已發表SCI論文50余篇，引用超過1200次。

課題組網頁連接：http://lab.henu.edu.cn/index/ktz/c___g_Cheng_G1/jj.htm

最近，程綱教授團隊利用摩擦納米發電機引起的氣體電離發展了表面離子柵調控技術，通過對低維半導體傳輸特性的調控發展了多種新型光電器件。下面整理了程綱教授和他的研究團隊在表面離子柵調控方面的最新研究成果，方便大家全面了解研究進展。

1）摩擦納米發電機引起的氣體電離特性

圖1. 利用摩擦納米發電機實現氣體電離的示意圖

利用水平滑動式摩擦納米發電機輸出電壓高的特點，可以通過尖端放電實現空氣的電離，如圖1所示。該空氣放電式開關由兩個放電電極組成，只有當摩擦納米發電機的電壓高到足以引起空氣放電時，開關才會閉合，并產生瞬時脈沖輸出。通過調節兩個放電電極之間的距離（d）可以改變開關的工作模式：弧光放電和電暈放電，如圖2所示。在電弧放電模式下，摩擦納米發電機的輸出性能得到了極大地提高。此外，在一定的紫外光強度范圍內，紫外光的照射可以改變開關的工作模式和TENG-ADS的輸出電流。以此為基礎，本篇工作研制了一種自驅動的紫外光檢測器。其光電開關比達到了18.6，最低可檢測的紫外光強度為26.2 μW/cm²，如圖3所示。相關研究工作發表在Nano?Energy（2018,?44, 208-216）上。

圖2. 摩擦納米發電機的輸出電壓和電流隨針尖-電極距離d的變化

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(a) d?= 0，即針尖與電極直接接觸，不發生放電；(b) d = 0.03 mm，圖(c)是其放大圖；(d) d?= 0.2 mm；(e) d?= 0.6 mm；(f) d?= 0.72 mm；(g) d?= 1.10 mm；(h) d?= 5 mm；(i) d?= 20?mm。

圖3. 摩擦納米發電機驅動的空氣放電開關作為自驅動紫外光檢測器的性能測試

(a) 當紫外光被開啟或關閉多個周期時，TENG-ADS的輸出電流曲線；(b) 紫外光照射下，空氣放電開關的工作模式從電弧放電轉變為電暈放電的原理示意圖；(c) 光電開關比和d的關系；(d) 光電開關比和光照強度的關系。

文章連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517307516?via%3Dihub?

2）摩擦納米發電機氣體電離過程中活性負離子的產生

在摩擦納米發電機引起的氣體電離過程中，具有高電子親和能的氣體，例如O₂和CO₂，可以捕獲電子，形成活性負離子。如圖4所示，在N₂中通入一定濃度的CO₂后，CO₂分子得到電子形成的負離子會消耗一部分電子，阻礙了電子的加速過程，同時，產生的活性負離子會與正離子發生復合。因此，等離子體的產生過程會受到抑制，使氣體放電的閾值電壓增大。如圖5所示，隨CO₂氣體濃度的增大，活性負離子的數量增大，閾值電壓逐漸增高，單個周期中放電峰的數量降低。基于該現象，實現了CO₂的自驅動傳感。

圖4.自驅動CO2氣敏傳感器的檢測原理示意圖?

(a) 在N₂中的放電原理示意圖；?(b) 在N₂中通入CO₂后的放電原理示意圖。

圖5. 自驅動CO2氣敏傳感器的濃度響應曲線

針尖-電極距離為0.15 mm時，放電電流隨CO₂氣體濃度變化的曲線。

該研究表明，利用摩擦納米發電機的高電壓特性可以實現室溫下的氣體電離，產生大量的活性負離子。該研究為表面離子調控技術的實現奠定了基礎。相關研究工作發表在Nano Energy（2018,?5, 898-905）上，并申請了國家發明專利。

文章連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518307018?via%3Dihub?

3）表面離子調控技術的建立

將摩擦納米發電機、放電探針與納米器件相結合，我們建立了如圖6a所示的表面離子調控技術。摩擦納米發電機的電壓輸出端與全波整流橋的輸入端相連，將其產生的交變電壓變換為單極性的輸出電壓。整流橋的負端與曲率半徑為5 μm的鎢針尖相連，作為氣體放電的陰極。整流橋的正端與ZnO納米器件的電極相連，作為氣體放電的陽極。為了避免放電過程對ZnO納米線器件的損傷，我們在實驗中采用較為溫和的負電暈的放電模式。

圖6.基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的表面離子柵調控技術示意圖

(a) 表面離子調控技術的結構示意圖；?(b) 氣體電離及產生活性負離子的示意圖。

負電暈放電過程中離子產生和遷移的示意圖如圖6b所示。負電暈放電可以分為兩個區域，分別是等離子區和單離子區。在針尖（陰極）附近，形成等離子區，在遠離針尖的區域中，形成單離子區。在單離子區中，電子的動能降低，不能使氣體分子電離產生正離子。電子將被電負性高的中性氣體分子捕獲產生負離子。最終到達陽極的負電荷包括負離子和電子。在空氣中，氧氣分子具有高的電負性，因此，在單離子區中所形成的負離子主要是O₂^-離子。在電場的作用下，等離子區的正離子向陰極（針尖）遷移，單離子區的O₂^-和電子向陽極遷移。最終，O₂^-和電子到達半導體納米結構的表面，形成表面局域離子，并作為柵極來調控納米結構的能帶結構和電學傳輸特性。該方法是在氣體環境中對半導體納米結構的表面態進行在位調控的有效方法，在發展新型器件、提高傳感性能方面具有潛在的應用。目前，該技術已經申請國家發明專利。

4）表面離子柵調控在一維半導體光電器件方面的應用

ZnO納米線在紫外光檢測方面具有優異的性能，受到了大家的深入研究。然而，由于光檢測過程受ZnO納米線表面態的控制，導致光電流的恢復時間長、光檢測的開關速度慢，限制了ZnO納米線光檢測器的實際應用。

利用表面離子柵調控技術，可以通過有效調控表面態實現了對Ag/ZnO納米線肖特基勢壘的高度和電學傳輸特性的調控。

圖7.表面離子柵對ZnO納米線在不同氣氛中的調控特性曲線

(a) ZnO納米線肖特基勢壘在暗態下的電流-電壓曲線及掃描電鏡圖片；表面離子柵在不同氣氛下對 ZnO 納米線調控的電流-時間特性，(b)空氣，(c)氧氣，(d)氮氣。

不同氣氛下的測試結果表明，放電產生的氧負離子在表面的吸附以及放電產生的電子被表面缺陷捕獲所形成的表面局域負電荷，是表面離子柵調控表面態的主要途徑。

將表面離子柵技術與紫外光檢測結合，我們實現了ZnO納米線紫外光檢測器的快速檢測。在關閉紫外光的瞬間，實施表面離子柵調控，氣體放電產生的電子和氧負離子快速填充ZnO納米線的表面態，使肖特基勢壘高度增加，ZnO的光電流快速降低，實現了光檢測器的快速恢復。

圖8.ZnO納米線的光響應曲線及在表面離子柵調控下的光電流開關曲線

(a) ZnO納米線肖特基勢壘在暗態和紫外光照下的電流-電壓曲線；(b) 不同氣氛下的ZnO納米線肖特基勢壘的光電流開關曲線；(c)、(d)：表面離子柵調控在空氣、純氧氣氛下ZnO納米線肖特基勢壘的光電流開關曲線。

利用表面離子柵調控技術，使ZnO納米線肖特基勢壘紫外光檢測的恢復時間從87 s降低到0.3 s，成為在空氣、氧氣、氮氣等不同的環境中實現高靈敏、快速紫外光檢測的普適方法。相關研究工作發表在Nano Energy（2019,60, 680-688）上。

文章連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519303167?dgcid=author

5）表面離子調控在二維半導體光電器件方面的應用

過渡金屬硫化物是二維半導體材料中重要一員，其中，MoS₂就是最常見的過渡金屬硫化物，單層的MoS₂不僅具有1.8?eV直接帶隙，而且保持了柔性、光電相互作用強、原子級厚度等優點，有望發展成為可取代硅的下一代新型半導體材料，在光電器件、吸附與分離、催化等領域具有重要應用前景。

我們將表面離子調控技術應用在單層的MoS₂中，其中圖9（d）-（f）是在N₂，O₂和空氣條件下，表面離子柵調控MoS₂器件的電流－時間特性曲線。不同氣氛下的測試結果表明，放電產生的氧負離子和電子被MoS₂表面缺陷捕獲所形成的表面局域負電荷，是表面離子柵調控器件性能的主要原因。

圖9 .表面離子柵調控MoS2器件的電學性能及不同氣氛中器件的電流-時間特性曲線

（a）表面離子柵調控MoS₂器件的示意圖。（b）表面離子柵調控MoS₂器件的I-V特性曲線，插圖是被調控器件的光學圖像，比例尺為20?μm。（c）利用表面離子柵技術多次調控MoS₂器件的I-V特性曲線，插圖是器件電流與表面離子柵調控器件次數對應曲線，V_ds為1V。（d）-（f）是在N₂，O₂和空氣條件下，表面離子柵調控MoS₂器件的電流-時間特性曲線。?

圖10.未使用和使用表面離子柵調控單層MoS2器件的光響應曲線