《MRS Bulletin》专刊：基于第三代半导体材料的压电电子学和压电光电子学

【引言】

以氮化镓，碳化硅和氧化锌等为代表的第三代半导体材料已经在消费电子，5G通讯，电动汽车，光电通信等诸多新兴领域得到广泛应用。这些宽禁带材料同时也具有非中心对称的晶体结构，因而表现出显著的压电特性。然而这些材料中压电极化电荷和半导体特性的耦合过程长期以来被忽略。

针对压电半导体中极化电荷和半导体特性耦合过程的研究和应用，佐治亚理工学院及中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士分别于2007年和2010年首次提出压电电子学和压电光电子学的基本概念和原理，并建立了压电电子学和压电光电子学这两大新兴学科。在压电电子学效应中，压电半导体材料受机械作用产生的极化电荷对金属-半导体肖特基结或p-n结界面处的载流子传输过程进行有效调制，实现了将外部机械信号转变为压电电子学器件（例如晶体管，逻辑电路等）中的门控信号。在压电光电子电子学效应中，压电半导体材料受机械作用产生的极化电荷对光生载流子的产生，复合，分离以及输运的过程进行有效调制，实现了将外部机械信号转变为压电光电子学器件（例如光电探测器，发光二极管等）中的门控信号。

压电电子学和压电光电子学不仅提供了丰富的基础研究机会，并在人机交互、微纳机电器件、传感和自驱动系统，人工智能等领域也具有广阔的应用前景，由此激发了科研人员在这个领域的研究兴趣。近年来对于压电电子学和压电光电子学的基础及应用研究取得了快速地发展。多种功能材料中的压电电子学和压电光电子学的基本效应得到了系统深入地研究，相关的理论体系得以建立，诸多压电电子学和压电光电子学器件也被设计研发。为增进研究者们对压电电子学与压电光电子学的理解以推进其实际应用，王中林院士组织领域内研究者在2018年12月的美国材料学会会刊（MRS Bulletin）上撰写了主题为“压电电子学和压电光电子学”的专刊。该期专刊的八篇综述文章从基础材料特性，相关效应的物理过程，器件设计和应用，及理论计算和分析等角度全方位地回顾了压电电子学和压电光电子学的最新学科进展，并对未来的研究趋势做了深入讨论。

专辑：https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/issue/piezotronics-and-piezophototronics/F81BA08F5CEB914528A9C5C47DD8B407

【图文导读】

【成果一】压电电子学与压电光电子学理论

电子科技大学张岩教授与美国乔治华盛顿大学冷永生教授，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所Morten Willatzen教授，以及香港理工大学黄博龙教授合作在MRS Bulletin上发表了题为“Theory of Piezotronics and Piezo-phototronics”的综述论文。文章从压电电场调控压电半导体结区、金属压电半导体以及压电半导体异质界面，压电电场载流子产生、复合及输运特性的调控模型为基础，系统总结了压电电子学与压电光电子学的基本理论。 作者从计算与模拟压电半导体材料的物理特性与器件特性的不同研究角度，分别详细介绍了密度泛函、分子动力学以及有限元方法，从不同角度总结了计算驱动下的压电半导体材料设计优化以及压电电子学与压电光电子学器件性能优化的理论、计算与器件仿真方法。此外，作者总结了压电电场调控量子器件的模型和理论，如压电电场调控拓扑绝缘体特性等。文章不仅对近年来压电电子学与压电光电子学理论进展和器件应用作了总结和介绍，同时也为设计和发展新型高性能量子压电电子学与压电光电子学器件的基础理论与设计仿真提供了新的平台与思路。(Zhang, Y., Leng, Y., Willatzen, M., & Huang, B. (2018). Theory of piezotronics and piezo-phototronics. MRS Bulletin, 43(12), 928-935. doi:10.1557/mrs.2018.297)

a 压电电子学效应调控拓扑绝缘体；（i）CdTe/HgTe/CdTe拓扑绝缘体，（ii）能带图b 压电效应调控拓扑绝缘体输运特性；（i）外力调控电导台阶，（ii）边沿态电子密度分布

【成果二】压电电子学材料和大规模压电电子学阵列器件

中科院纳米能源所胡卫国研究员、新南威尔士大学Kourosh Kalantar-zadeh教授和成功大学Chuan-Pu Liu教授在期刊MRS BULLETIN撰写了《压电电子学材料和大规模压电电子学阵列器件》的综述论文，系统回顾了压电电子学分立器件到大规模压电集成电路的最新进展，以及展望将来压电电子学材料器件的研究和应用。其中，压电电子学分立式器件介绍了压电电子学起源和基础理论，从一维ZnO纳米线到II-VI、III-V族纤锌矿半导体的压电电子学效应，极化轴取向依存性和载流子屏蔽效应，以及复合异质结结构的压电电子学效应，分立式应变栅极晶体管等重要进展。大规模压电电子学阵列器件则重点阐叙第一个92 × 92 应变栅极晶体管阵列的原理、工艺、器件性能和新兴的应力空间成像应用，并追踪报道了大规模压电集成电路在成像分辨率、成像存储复合功能等代表性研究成果。最后，作者们总结当前研究进展，预测下一步压电电子学材料研究的新兴方向，和展望人机交互、机器人、植入式设备、柔性电子设备、电子皮肤等重要前沿。该综述是追踪压电电子学领域进展的重要指南。(Hu, W., Kalantar-Zadeh, K., Gupta, K., & Liu, C. (2018). Piezotronic materials and large-scale piezotronics array devices. MRS Bulletin, 43(12), 936-940.)

（a）压电电子学基础理论

（b）分立式GaN变栅极晶体管

（c）复合AlGaN/AlN/GaN异质结结构的压电电子学效应

【成果三】压电电子学传感器

德国达姆施达特工业大学Jürgen Rödel 教授和Till Frömling教授，美国亚马逊实验室于若蒙研究员，德国基尔大学Rainer Adelung教授共同在MRS Bulletin上发表了题为“Piezotronic sensors”的综述文章。文章归纳了压电电子学效应能够利用压电势调节和控制界面或结区载流子传输特性，也进一步分析了压电电子学效应与光学、化学和磁场的耦合效应及传感器应用，并系统地阐明了应力显著影响这些材料物理参数的工作机理。例如对于一种磁致伸缩材料，当其与一个压电系统耦合时，就可以相当灵敏地探测到应力与形变量之间的对应关系。此外，对于其在化学和光学传感器的应用中可以发现，压电光子学效应或压电光电电子学效应可以大大提高期间的传感性能。同时，文章介绍了这些应力传感器、光学传感器（尤其是紫外线范围内的传感器），化学触感器（气相和液相）和通过压电-磁致伸缩耦合传感器各自的优点。最后，作者总结了当前的研究进展，展望了压电电子学材料在各种类型的环境传感器（如辐射传感器）、人体接口和医疗应用中的应用前景。(Frömling, T., Yu, R., Mintken, M., Adelung, R., & Rödel, J. (2018). Piezotronic sensors. MRS Bulletin, 43(12), 941-945.)

（a）基于压电电子学和磁场耦合效应的应力探测

（b）压电电子学效应增强的pH传感器

 【成果四】压电电子学调控的光电化学催化

美国威斯康星大学麦迪逊分校王旭东教授，卡内基梅隆大学Gregory S. Rohrer教授，和中国上海师范大学李和兴教授共同在MRS Bulletin上发表了题为“Piezotronic Modulations in Photo- and Electrochemical Catalysis”的综述文章。文章系统总结了压电电子学在电化学，特别是光/电催化方面的原理和应用。文章首先介绍了表面电荷对固-液界面的电子能带的作用。然后深入讨论了如何通过压电电子学原理对光催化，光电化学和电化学过程进行操控，以及在能量收集方面的最新进展。文章最后介绍了压电催化的概念。这一过程是机械能和化学能的直接转化，并被用于水分解反应。文章提出的压电电子学能够给电化学催化带来新的思路和影响。(Wang, X., Rohrer, G., & Li, H. (2018). Piezotronic modulations in electro- and photochemical catalysis. MRS Bulletin, 43(12), 946-951.)

（a）铁电钛酸钡表面表现出与极化方向相应的电化学沉积特性

（b）钛酸钡薄膜的极化能大幅提高水分解的光电流

（c）压电催化的基本过程

【成果五】压电光电子学效应调控的纳米光电器件

中科院纳米能源所潘曹峰研究员、鲍容容副研究员、北京大学胡又凡研究员与浙江大学杨青教授在MRS Bulletin上发表了题为“Piezo-phototronic effect on optoelectronic nanodevices”的综述论文。文章总结了压电光电子效应对光电纳米器件，如光开关、太阳能电池、发光二极管以及高分辨压力传感器等领域的性能调节相关研究。作者首先介绍了压电光电子效应的基本原理，以及相关纳米材料的制备与调控。进而分布介绍了压电光电子效应对各种纳米光电器件工作过程中界面能级以及载流子注入、迁移、复合等过程的调控，最终实现器件性能的提升已经新器件性能的设计。最后，文章介绍了利用基于压电光电子效应调控光强的纳米LED阵列，实现了性能远超过人体皮肤的超高空间分辨率可视化应力分布传感器的相关研究。该论文从理论到应用全面总结了压电光电子效应近年来的代表性工作，为新型、高性能纳米光电器件的制备提供了新的途径与设计思路。(Bao, R., Hu, Y., Yang, Q., & Pan, C. (2018). Piezo-phototronic effect on optoelectronic nanodevices. MRS Bulletin, 43(12), 952-958.)

（a）压电光电子效应对光开关阵列性能调控

（b）基于压电光电子效应LED阵列的的超高空间分辨率可视化压力分布传感器

【成果六】二维材料中的压电电子学与压电光电子学

中科院纳米能源所翟俊宜研究员和沙特国王科技大学何志浩教授合作在MRS Bulletin上发表了题为“Piezotronics and piezo-phototronics in two-dimensional materials”的综述论文。文章系统总结了二维材料特别是过渡金属硫族化合物（典型代表MoS2）中的压电电子学和压电光电子学效应，即利用应变下二维材料产生的面内压电势为栅压调节载流子的输运和分离过程。作者首先详细介绍了二维材料中压电电子学和压电电子学效应的基本工作机制；其次介绍了二维材料中这两种效应的具体应用（如光电探测和气体传感等）；最后介绍了复合压电电子学效应，即利用外部压电势调节半导体内载流子输运过程。文章对近年来的有代表性研究和工作进行了总结和介绍，为新型压电电子学和压电光电子学器件的设计提供参考和思路。(Liu, Y., Wahyudin, E., He, J., & Zhai, J. (2018). Piezotronics and piezo-phototronics in two-dimensional materials. MRS Bulletin, 43(12), 959-964.)

（a） 单层MoS2压电电子学器件

（b ）压电电子学效应对单层MoS2的非对称调制

（c） 压电光电子学效应对光电流的调制机理

【成果七】压电光子学：从基础，到材料及应用

香港理工大学郝建华教授和日本产业技术综合研究所徐超男教授（共同通讯）合作在MRS Bulletin上发表了题为“Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications”的综述论文。文章系统总结了压电光子学效应的基本原理，材料的选择到应用。压电光子学是材料的压电性质和光激发的耦合效应。金属激活离子可以在这过程中扮演重要作用。首先作者介绍了压电光子学的基本原理包括力致发光；其次介绍了有代表性材料的具体应用，譬如基于压电光子学效应的磁场耦合多色发光等；最后文章对近年有代表性研究和工作进行了总结和介绍，为新型压电光电子学器件，磁光学传感，非破坏性环境监测，新型光源和显示技术等领域的应用和发展提供重要参考和思路。(Hao, J., & Xu, C. (2018). Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications. MRS Bulletin, 43(12), 965-969.)

（a）压电光子学和磁致发光的耦合示意图

（b）压电光子学效应所用的金属离子常用元素

（c） 压电光子学效应发光的能级图

（d）多场激发的发光示意图

本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所供稿，材料人编辑部编辑。

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