材料中科院Adv.Mater.：二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管

1、第 PAGE6 頁 共 NUMPAGES6 頁材料中科院Adv.Mater.：二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管中科院 Adv.Mater.：二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管【前言】兩種不同材料接觸分離可產(chǎn)生靜電荷并引發(fā)一個摩擦靜電場，該摩擦電場可以驅(qū)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(fā)電機(TENG)就是利用了這種脈沖信號實現(xiàn)了將外部環(huán)境機械能轉(zhuǎn)換成電能，近期在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了許多重大突破性進展，包括從多種機械運動獲取能，自驅(qū)動機械感應(yīng)系統(tǒng)，高靈敏質(zhì)譜分析p 以及常壓下機械觸發(fā)的等離子體等。另一方面，當(dāng) TENG 產(chǎn)生的靜電場與電容性器件耦合時(例如，場效應(yīng)晶體管)，半導(dǎo)體溝道

2、中載流子的傳輸特性可以被摩擦電勢有效調(diào)制，也就是摩擦電子學(xué)晶體管（tribotronic transistor）。為了開發(fā)更高性能主動式摩擦電子學(xué)晶體管，針對 TENG 與半導(dǎo)體器件耦合的基礎(chǔ)物性研究和相關(guān)工藝工程迫切地需要更深入的探索。利用雙柵結(jié)構(gòu)電容耦合，使二硫化鉬(MoS 2 )摩擦電子學(xué)晶體管電流開關(guān)比超過六個數(shù)量級(10 6 ) 1 。平面設(shè)計以及利用直接接觸模式，同樣簡化了石墨烯摩擦電子學(xué)機械傳感器件2 。然而，鑒于之前的復(fù)雜的加工工藝和較為普通的電學(xué)性能，摩擦電子學(xué)仍有巨大的研究空間。對于場效應(yīng)晶體管來說，高的柵介電層比電容可以產(chǎn)生更強的電場，從而在溝道中累積更多的載流子。利用電

3、解液介電層，離子在柵電壓驅(qū)動下可以快速移動并在電解質(zhì)/半導(dǎo)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(jié)構(gòu)。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(chǎn)生極強的電場，從而有效的調(diào)控半導(dǎo)體溝道中的載流子。這種離子調(diào)控的雙電層晶體管可應(yīng)用于高性能低功耗晶體管，可打印電子器件，基礎(chǔ)物理研究以及生物化學(xué)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(xué)科研究領(lǐng)域，即離子電子學(xué)。通過高效的雙電層調(diào)制，優(yōu)異的二維超導(dǎo)和基于相轉(zhuǎn)換的磁各向異性已被報道。未來的物聯(lián)網(wǎng)時代，如何利用通過外部機械運動觸發(fā)離子遷移來獲得高性

4、能電學(xué)器件具有重大的意義。【成果簡介】近日， 中國科學(xué)院北京納米能與系統(tǒng)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(xué)的原理，制備了一種新型的二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管(triboiontronic transistor)，該器件通過工作在接觸分離模式下的 TENG 產(chǎn)生的摩擦電勢與離子調(diào)控的二硫化鉬晶體管耦合，連接了摩擦電勢調(diào)制特性以及離子調(diào)控的半導(dǎo)體特性。摩擦電勢在離子凝膠和二硫化鉬半導(dǎo)體界面處可誘導(dǎo)形成超高的雙電層電容，可高效率調(diào)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(xué)晶體管可主動式操控，器件表現(xiàn)低的閾值(75 um)和陡峭的開關(guān)特性(20 um/dec)。

5、通過預(yù)設(shè)耦合與晶體管的摩擦電勢的初始值，摩擦離子電子學(xué)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(xiàn)了更高的電流開關(guān)比(10 7 )以及超低的關(guān)態(tài)電流(0.1 pA)。文章展示了二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)反相器，反相器對應(yīng)增益(8.3 V/mm)，并且具有較低的功耗以及優(yōu)異的穩(wěn)定性。這項工作展現(xiàn)了一個通過外部機械指令來高效率調(diào)制二維材料半導(dǎo)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(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。該研究成果以 Triboiontronic Transistor of MoS 2 為題發(fā)表于近期的 Adv.Mater.期刊(DO

6、I: 10.1002/adma.20_06905)。【圖文導(dǎo)讀】圖 1.(a) 摩擦電勢誘導(dǎo)形成雙電層結(jié)構(gòu)的過程示意圖，以及相應(yīng)的電荷分布。(b) 一個接觸-分離-接觸循環(huán)的轉(zhuǎn)移電荷的量化。(c) 離子凝膠 MIM 結(jié)構(gòu)下不同頻率的比電容。(d) 離子調(diào)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(xué)晶體管器件的示意圖。(b)離子調(diào)控的二硫化鉬晶體管典型的輸出特性曲線。(c) 離子調(diào)控的二硫化鉬晶體管對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線。(d) 增強模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管的工作狀態(tài)示意圖以及對應(yīng)的等效電路圖。(e) 增強模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管的輸出特性曲線以

7、及轉(zhuǎn)移特性曲線(f)。圖 3. (a-c) 二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管的工作機制以及三個狀態(tài)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(xué)晶體管輸出特性曲線以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線(e)，電流開關(guān)比超過七個數(shù)量級。(f)對應(yīng)肖特基勢壘高度隨摩擦距離的變化，插圖是對應(yīng)能帶解釋。(g-i) 二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管實時測試性能。圖 4. (a) 二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)邏輯器件電路示意圖。(b) 離子調(diào)控的二硫化鉬反相器典型的電壓轉(zhuǎn)移特性曲線以及對應(yīng)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(xué)反相器工作原理以及操作流程。(e) 二

8、硫化鉬摩擦離子電子學(xué)反相器實時測試。(f) 器件對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線以及增益。(g) 器件循環(huán)穩(wěn)定性測試。文獻：【課題組其他相關(guān)文章】1.Gao, B.Wan, _.Liu, Q.Sun,_.Yang, L.Wang, C.Pan,_and Z.L.Wang_, Tunable Tribotronic Dual-Gate Logic Devices Based on 2D MoS 2 and Black Phosphorus, Adv.Mater.30, 1705088, 1702076 (20_)2.Meng, J.Zhao, _.Yang, C.Zhao, S.Qin, J.H.Cho, C.Zhang,_Q.Sun,_and Z.L.Wang_