中科院&西電ACS Nano：超高靈敏度ZnO雙納米片垂直壓電晶體管

【引言】

以納米管、納米線、納米薄膜為主的新型壓電晶體管，由于其超高靈敏性，低耗能等優點，廣泛應用于人造皮膚，國防等領域。雖然壓電管可以模仿人類皮膚的觸覺感應系統，但由于在器件和外界機械刺激間缺乏相應的活性界面，其壓電靈敏性依然過低。最近的研究表明，金屬-半導體-金屬結構的壓電晶體管可通過控制肖特基勢壘直接調控器件的壓電傳輸特性，不需要施加柵極電壓，就可以直接將機械刺激轉化為電學刺激，但由于晶體管兩端金屬-半導體接觸的應力誘導壓電勢剛好相反，再加上半導體的屈曲效應，導致器件靈敏性降低，因此研發新型可調控肖特基勢壘的器件顯得至關重要。

【成果簡介】

近日，中科院王中林院士和西安電子科技大學秦勇教授（共同通訊作者）在ACS Nano上發表了一篇題為“Ultrasensitive Vertical Piezotronic Transistor based on ZnO Twin Nanoplatelet”的文章。在該文章中，研究人員通過Zn(CHCOO與THAM合成ZnO雙納米片，通過射頻磁控濺射在SiO/Si沉積了Cr/Au(5nm/60nm)層，然后在其上負載ZnO雙納米片，從而得到ZnO雙納米片壓電晶體管。此器件的壓電靈敏度可高達1448.08~1677.53 meV/MPa，比先前報道的最高納米線基壓電晶體管高50倍左右，此外在紫外光輻射下，該器件的光電響應率可達1.45×10⁴ A·W^-1。

【圖文導讀】

圖一 ZnO雙納米片的表征及性能測試

(a-b) ZnO雙納米片的SEM圖像：(a)頂視圖，(b)側視圖，圖中的尺度大小為1mm；

(c) 不同射頻頻率下，ZnO單納米片與雙納米片壓電系數圖；

(d) TNPT的結構示意圖；

(e) TNPT的能帶圖；

(f) 不同的壓力下，TNPT的電壓vs.電流關系圖；

(g) 反向偏置時，TNPT的電壓-電流關系圖；

(h) 計算肖特基勢壘變化量隨壓力變化的關系曲線圖。

圖二 TNPT的壓電性能測試

(a) 偏置電壓為-1.5時，電流隨壓力的變化圖示；

(b) 電流對數值vs.外加壓力的實驗值與擬合曲線；

(c) 壓電電流vs.間隔外加壓力關系曲線，器件表現出非凡的靈敏度和施加壓力與電導之間的調制關系；

(d) 在145 s-165 s時間段內，電流與負載壓力的相應變化圖。

圖三 TNPT的三維有限元模擬計算

(a) 有限元模擬為0.001壓縮應變下，傳統納米線/棒基壓電晶體管示意圖；

(b) 不同的外加應力下，傳統納米線/棒基壓電晶體管電流壓vs.與電壓流曲線，插圖為施加外力前后，器件的能帶變化示意圖；

(c) 有限元模擬為0.001壓縮應變下，TNPT結構示意圖；

(d) 不同的負載壓力下，TNPT電流vs.電壓曲線圖，插圖為施加外力前后，ZnO雙納米片壓電晶體管的能帶變化示意圖。

圖四 不同的外加應力下，TNPT的光響應性能測試

(a) 恒定光照條件下，不同的壓力對應的源-漏伏安特性；

(b-c) TNPT的光敏性和光響應性與施加壓力間的函數關系曲線；

(d) 紫外輻照下，TNPT的能帶圖譜，以及TNPT增強模式的工作機理，ΦB代表肖特基勢壘。

【小結】

研究人員通過成功制備ZnO雙納米片材料，然后將其負載在蒸鍍有Cr/Au層的SiO₂/Si基片上，由于ZnO納米片獨特的鏡面對稱結構及優異的壓電性能，能夠有效地降低肖特基勢壘，直接將機械刺激轉化為電學信號。測試結果顯示，此ZnO雙納米片壓電晶體管的壓電靈敏度可高達1448.08~1677.53 meV/MPa，其性能遠遠優于目前所報道的納米線/棒基壓電晶體管，其在諸多領域都有很好的發展光景。

文獻鏈接：Ultrasensitive Vertical Piezotronic Transistor based on ZnO Twin Nanoplatelet（ACS Nano, 2017, DOI: 10. 1021/ acsnano. 7b01374）

本文由材料人編輯部陳炳旭編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！