河南大學程綱團隊Nano Energy：基于摩擦電微等離子體的ZnO納米線薄膜浮柵調控光電器件

【引言】

擁有高比表面積的納米材料表面吸附離子，如O₂^-等，可以起到浮柵的作用，對納米材料的電學和光電性能有重要的調節作用。基于此原理，我們提出了基于摩擦電微等離子體的“表面離子柵（SIG）”技術。前期研究結果證明，無論是對于一維的納米線肖特基勢壘，還是二維的MoS₂薄膜，均可實現氣體離子在表面的吸附，并作為浮動的離子柵極來調控半導體的光電傳輸特性，在發展高性能光電器件方面具有廣泛的應用前景。

【成果簡介】

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授團隊利用原子層沉積技術（ALD）在梳狀電極上制備了Cd(OH)₂@ZnO 納米線薄膜，利用Cd(OH)₂納米線作為“骨架”制備了大比表面積、高靈敏度的ZnO薄膜晶體管（TFT）和ZnO薄膜光電探測器（TFP）。在具有浮動離子柵的TFT中，隨著摩擦納米發電機（TENG）工作周期的控制，所產生的微等離子中的氧氣負離子吸附在納米線表面，作為浮動的離子柵對電流進行逐步調諧，電流的最大開關比達到4.0×10⁵。在具有浮動離子柵的紫外光TFP中，光電流的開關比和恢復時間常數分別達到2.7×10⁷和0.53s，靈敏度和恢復速度分別提高了1350倍和946倍。由于TENG的低成本和易操作性，基于摩擦電微等離子體的浮動離子柵技術可以用于器件系統的構建，為開發性能更高的新型電子和光電子納米器件提供了新的思路和有效的策略。

相關成果以“Cd(OH)₂@ZnO nanowires thin-film transistor and UV photodetector with a floating ionic gate tuned by a triboelectric nanogenerator”為題，在國際著名刊物Nano Energy發表。

碩士生鄭明理為論文第一作者，程綱教授和杜祖亮教授為論文的共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的大力支持。

【圖文解讀】

圖一、Cd(OH)₂@ZnO納米線薄膜晶體管特性表征

（a）器件SEM圖；（b）器件在不同生長循環時的I-V曲線；（c）器件在200次生長循環時的熒光光譜；（d）器件在不同溫度下的I-V曲線。

圖二、基于摩擦電微等離子體的表面離子柵調控技術

（a）SIG調控技術結構示意圖；（b）單次氣體放電調控納米線薄膜器件在單次氣體放電調控中接受到的電荷量；（c）負電暈放電過程中離子產生及遷移示意圖；（d）SIG調控半導體器件電荷輸運特性的示意圖。

圖三、納米線薄膜晶體管的表面離子柵調控特性

（a）、（b）器件在不同調控周期下的I-V曲線；（c）器件經過真空處理后在不同調控周期下的I-V曲線；（d）不同調控周期下器件電流與調控次數及真空處理前后的關系曲線；(d)SIG調控后的器件在真空環境下不同時間的I-V曲線（e）及I-T曲線（f）。

圖四、納米線薄膜紫外光探測器的表面離子柵調控特性

納米線薄膜紫外光檢測器在未施加/施加SIG調控時的I-V-T曲線。（a）SIG調控前后的光電流曲線；SIG調控器件紫外光檢測器的時間分辨的光電流開關曲線（b）及單周期開關曲線的放大圖（c）；（d）、（e）及（f）為未施加SIG調控時器件相應的I-V-T曲線。

圖五、表面離子柵對光電特性的調控機制

ZnO納米線薄膜上的離子吸附及其能帶結構示意圖。（a）紫外光照；（b）自然狀態下的氧離子吸附過程：氧氣分子吸附后從表面得到電子；（c）SIG調控下氧負離子的吸附過程：氧氣從微等離子體中得到電子變成氧負離子，然后吸附在納米線表面，實現快速吸附。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104808

【作者簡介】

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文50余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn