中科院Adv. Mater.：二硫化钼摩擦离子电子学晶体管

【前言】

两种不同材料接触分离可产生静电荷并引发一个摩擦静电场，该摩擦电场可以驱动自由电子在外部负载流通，得到脉冲输出信号。一方面，摩擦纳米发电机(TENG)就是利用了这种脉冲信号实现了将外部环境机械能转换成电能，近期在许多领域实现了许多重大突破性进展，包括从多种机械运动获取能源，自驱动机械感应系统，高灵敏质谱分析以及常压下机械触发的等离子体等。另一方面，当TENG产生的静电场与电容性器件耦合时(例如，场效应晶体管)，半导体沟道中载流子的传输特性可以被摩擦电势有效调制，也就是摩擦电子学晶体管（tribotronic transistor）。为了开发更高性能主动式摩擦电子学晶体管，针对TENG与半导体器件耦合的基础物性研究和相关工艺工程迫切地需要更深入的探索。利用双栅结构电容耦合，使二硫化钼(MoS₂)摩擦电子学晶体管电流开关比超过六个数量级(10⁶)¹。平面设计以及利用直接接触模式，同样简化了石墨烯摩擦电子学机械传感器件²。然而，鉴于之前的复杂的加工工艺和较为普通的电学性能，摩擦电子学仍有巨大的研究空间。

对于场效应晶体管来说，高的栅介电层比电容可以产生更强的电场，从而在沟道中累积更多的载流子。利用电解液介电层，离子在栅电压驱动下可以快速移动并在电解质/半导体界面聚集以补偿沟道中累积的载流子，从而形成双电层结构。该双电层间隙只有接近一个纳米左右间，几乎承受了全部的栅极电压降，所以会产生极强的电场，从而有效的调控半导体沟道中的载流子。这种离子调控的双电层晶体管可应用于高性能低功耗晶体管，可打印电子器件，基础物理研究以及生物化学传感等。另外，该双电层也代表了离子和电子的相互作用，也衍生了一个通过离子迁移传输和重新排布控制电子特性的交叉学科研究领域，即离子电子学。通过高效的双电层调制，优异的二维超导和基于相转换的磁各向异性已被报道。未来的物联网时代，如何利用通过外部机械运动触发离子迁移来获得高性能电学器件具有重大的意义。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员和王中林院士研究团队基于摩擦电子学的原理，制备了一种新型的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管(triboiontronic transistor)，该器件通过工作在接触分离模式下的TENG产生的摩擦电势与离子调控的二硫化钼晶体管耦合，连接了摩擦电势调制特性以及离子调控的半导体特性。摩擦电势在离子凝胶和二硫化钼半导体界面处可诱导形成超高的双电层电容，可高效率调制沟道中载流子传输性能。不需要额外栅压，二硫化钼摩擦离子电子学晶体管可主动式操控，器件表现低的阈值(75 um)和陡峭的开关特性(20 um/dec)。通过预设耦合与晶体管的摩擦电势的初始值，摩擦离子电子学晶体管可以操作在两个工作模式下，增强模式和耗尽模式，实现了更高的电流开关比(10⁷)以及超低的关态电流(0.1 pA)。文章展示了二硫化钼摩擦离子电子学反相器，反相器对应增益(8.3 V/mm)，并且具有较低的功耗以及优异的稳定性。这项工作展现了一个通过外部机械指令来高效率调制二维材料半导体器件以及逻辑电路的低功耗主动式以及普适的方法，在人机交互，电子皮肤，智能传感以及其他可穿戴器件等领域有巨大的应用前景。该研究成果以Triboiontronic Transistor of MoS₂为题发表于近期的Adv. Mater.期刊(DOI: 10.1002/adma.201806905)。

【图文导读】

图1.

 (a) 摩擦电势诱导形成双电层结构的过程示意图，以及相应的电荷分布。(b) 一个接触-分离-接触循环的转移电荷的量化。(c) 离子凝胶MIM结构下不同频率的比电容。(d) 离子调控的二硫化钼晶体管的C-V曲线。 

图2.

 (a) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管器件的示意图。(b)离子调控的二硫化钼晶体管典型的输出特性曲线。(c) 离子调控的二硫化钼晶体管对应的转移特性曲线。(d) 增强模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的工作状态示意图以及对应的等效电路图。(e) 增强模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的输出特性曲线以及转移特性曲线(f)。  

图3. 

(a-c) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的工作机制以及三个状态下的能带示意图(增强模式，平带，耗尽模式)。(d)两个工作模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管输出特性曲线以及对应的转移特性曲线(e)，电流开关比超过七个数量级。(f)对应肖特基势垒高度随摩擦距离的变化，插图是对应能带解释。(g-i) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管实时测试性能。

图4. 

(a) 二硫化钼摩擦离子电子学逻辑器件电路示意图。(b) 离子调控的二硫化钼反相器典型的电压转移特性曲线以及对应的电压增益。(c) 该反相器噪声容限。(d) 二硫化钼摩擦离子电子学反相器工作原理以及操作流程。(e) 二硫化钼摩擦离子电子学反相器实时测试。(f) 器件对应的转移特性曲线以及增益。(g) 器件循环稳定性测试。

图5. 摩擦离子电子学晶体管以及相关领域展望

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.201806905

课题组其他相关文章：

1.Gao, B. Wan, X. Liu, Q. Sun,* X. Yang, L. Wang, C. Pan,* and Z. L. Wang*, Tunable Tribotronic Dual-Gate Logic Devices Based on 2D MoS₂and Black Phosphorus, Adv. Mater. 30, 1705088, 1702076 (2018)

2.Meng, J. Zhao, X. Yang, C. Zhao, S. Qin, J. H. Cho, C. Zhang,* Q. Sun,* and Z. L. Wang*, Mechanosensation-Active Matrix Based on Direct-Contact Tribotronic Planar Graphene Transistor Array, ACS Nano, 12, 9381 (2018)

本文由材料人中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君和王中林研究团队供稿，编辑部编辑。

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