美国佐治亚理工学院王中林院士和中国科学院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜、潘曹峰Chem. Rev.:第三代半导体纳米线的压电电子学和压电光电子学
【引言】
近年来，随着纳米科学技术的飞速发展，半导体纳米线在电子和光电子领域得到了广泛的应用。其中，以ZnO、GaN为代表的第三代半导体由于其c轴方向的结构不对称，沿纳米线纵向有相对较大的自发极化。压电、光激发和半导体特性的双或多路耦合产生了压电电子学和压电光电子学等新的研究领域。
【成果简介】
近日，美国佐治亚理工学院王中林院士和中国科学院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜、潘曹峰教授在这篇综述中，深入讨论了基于纳米线的压电电子学和压电光电子学的机理和应用。压电电子学和压电光电子学的研究由于通过应用简单的机械刺激对载流子传输，光电特性等进行有效操作而引起了很多关注，因为新的应变传感器的设计基于应变引起的半导体特性的变化。该成果以题为“Piezotronics and Piezo-phototronics of Third Generation Semiconductor Nanowires”发表在Chem. Rev.上。
【图文导读】
Figure 1.纤锌矿单晶中的压电势
（a）ZnO晶胞的原子模型示意图
（b）通过数值计算获得的由于外部压缩或拉伸应变引起的ZnO NW纵向的压电势分布
Figure 2.多场耦合示意图
压电电位学是压电性和半导电性的耦合; 光电子学是半导体和光激发的耦合; 压电光子学是压电和光激发的耦合; 和压电光电子学是压电，半导电和光激发的三向耦合。
Figure 3.电化学沉积
（a）电化学沉积方法的示意图
（b）通过电化学沉积在Cu衬底上生长ZnO
Figure 4.在单晶GaN衬底上垂直排列的ZnO NWs的水热外延生长的SEM图像
（a,b）在各种放大倍数下的ZnO NW阵列的俯视图像
（c,d）在小尺寸和大尺寸下的良好排列的ZnO NW的45°倾斜视图图像
Figure 5.通过使用Au纳米点催化剂在单晶蓝宝石衬底上化学气相沉积ZnO NW
（a）合成后的取向ZnO NW的俯视SEM图像
（b）Au催化剂辅助的化学气相沉积方法的示意图
（c）蜂窝图案化ZnO NW的45°倾斜视图SEM图像
Figure 6.ZnO纳米线的合成与表征
（a）脉冲激光沉积方法的示意性照射和通过脉冲激光沉积生长的ZnO NW的SEM图像，其中基板温度在（b）750℃，（c）800℃和（d）850℃；（e,f）在6.0和4.0Torr下沉积的ZnO NW阵列；这里，基板的沉积温度为800℃。
Figure 7.自上而下的制造工艺
（a）大面积Ni点阵，（b）薄膜的ICP蚀刻，其中Ni点阵用作保护材料，（c）去除Ni点图案后的多量子阱柱阵列，和（d） 透明PMMA填充在柱阵列的间隙中。
Figure 8.器件结构示意图
（a）MOS-FET，（b）基于NW的FET和在外部（c）压缩应变或（d）拉伸应变下的压电式晶体管的结构比较。
Figure 9.压电半导体基于NW的p-n结，在热平衡时具有/不具有压电电荷
（a）受体，供体和压电电荷的分布；（b）电场；（c）压电电荷在p-n结界面处受到的电位分布。虚线和实线分别表示在p-n结的界面处没有/存在压电电荷的情况。
Figure 10.通过激光激发和压电电荷的耦合调制的M-S肖特基接触的能带示意图
（a）M-S接触的频段图；（b）具有外部应变诱导压电势耦合的M-S接触的能带图；（c）激光激发下M-S触点的能带图。
Figure 11.基于压电半导体的M-S肖特基在热平衡下与压电电荷触点
（a）空间电荷分配；（b）能带图；（c）由界面处的压电电荷影响的电场
Figure 12.由压电效应调谐的M-S肖特基接触的I-V特性
（a）在各种应变下的I-V曲线和（b）在固定的0.5V正向偏压下的应变诱导的相对电流密度
Figure 13.具有p-n结的基本LED结构的示意图
Figure 14.施加应变如何影响压电光电子器件
（a）计算相对电流密度随外加电压和应变的变化；
（b）详细的直流特性；
（c）外部应变调整的相对外部量子效率；
（d）压电肖特基LED的相对光强度变化与施加电压的函数关系，应变范围为-0.8％至0.8％；
Figure 15.在压电电荷和光致电荷调制下的理想金属-半导体-金属（M-S-M）结构
（a）空间电荷分布和（b）具有压电和光致电荷的理想M-S-M结构的相应能带图的示意图。
Figure 16.基于具有一个欧姆接触和一个肖特基接触的金属-ZnO-金属光电探测器的数值模拟
对于具有与肖特基接触位置相对应的c轴取向相反的两种不同器件，在（a）和（b）中证明了在各种施加电压和应变条件下的配置及其电流密度；（c）在没有外部应变的情况下，在不同照明功率下的相对电流密度与电压的关系图。
Figure 17.具有两个肖特基接触的Ag-ZnO-Ag器件的数值模拟
（a）各种应变下的相对电流密度与电压的关系和相同的照度
（b）在没有外部应变的情况下，在不同照明功率下的相对电流密度与电压的关系图
Figure 18.典型的基于NW的p-n结太阳能电池
（a）具有p-n结的基于NW太阳能电池的示意图。在（b）拉伸或（c）压缩应变下，在所提出的n型PSC中出现压电势分布，其显着调节载流子产生，分离和传输特性。
Figure 19.ZnO纳米线基太阳能电池
（a）所提出的ZnO NW基太阳能电池的示意图
（b）不同光电流密度下相对电流密度与电压的关系图
（c）不同外部应变下的相对电流密度-电压关系
（d）各种外加应变下的开路电压
Figure 20.基于ZnO纳米线的p-n结压电光电太阳能电池
（a）基于ZnO NW的p-n结压电光电太阳能电池的输出功率与电压的关系图；
（b）应变调整的相对最大归一化输出功率
Figure 21.研究压电侧反转的c轴极性或p和n部分的交换情况
（a）I-V曲线和（b）特定p-n型ZnO NW基太阳能电池在各种应变下的开路电压
（c）I-V曲线和（d）相同太阳能电池的各种应变下的开路电压
Figure 22.器件表征
（a）I-V曲线和（b）M-S（ZnO NW）接触的各种应变下的开路电压，其c轴指向远离结的点；（c）I-V曲线和（d）同一器件在各种应变下的开路电压，其c轴指向结。
Figure 23.压电电子学和压电光电子学的温度依赖性
（a）测量装置的示意图。 设备固定在低温恒温器的边缘。 使用显微操作的探针使基底变形。 右上方插图是真实设备的照片
（b）在300K下施加的应变下具有低导电率的器件的传输特性的变化
（c）在77K下施加应变下具有低导电率的器件的传输特性的变化
（d）在77K下施加的应变下具有中等导电率的器件的传输特性的变化
（e）在77K下施加应变下具有高导电率的器件的传输特性的变化
Figure 24.压电电子学和压电光电子学的温度依赖性
（a）由于在黑暗条件下300K时的压电效应，GaN器件的I-V特性发生了变化
（b）由于在黑暗条件下77K的压电效应，GaN器件的I-V特性发生了变化
（c）GaN器件的光电流与固定照射下各种温度下的拉伸应变的关系
（d）在各种温度下CdS NW器件的I-V特性，功率密度为1.58mW/cm2
（e）在各种应变条件下CdS NW器件的I-V特性，功率密度为1.58mW/cm2
（f）压电光电因子在-4V偏压下的温度依赖性
Figure 25.一种利用压电效应的新型应变传感器
（a-b）单个ZnO NW基应变传感器的图示和光学图像
（c）ZnO NW应变传感器的测量设置
（d）在各种应变下ZnO NW应变传感器的I-V曲线
（e）根据（d）与施加的应变计算的量表因子
Figure 26.压电应变门控压电机电开关
（a）单个ZnO NW器件的图示
（b）ZnO NW器件在压缩应变（绿色），应变释放（黑色）和拉伸应变（红色）下的I-V性能
（c-e）能带图显示（c）无应变，（d）压缩应变和（e）拉伸应变NW两个接触处SBH的变化
Figure 27.基于垂直纳米线的压电晶体管
（a）用于测量垂直压电晶体管的AFM系统的示意图
（b）电流变化，周期性施加的力为3μN和6μN
（c）在不同压缩力下具有单个肖特基结的垂直压电晶体管的I-V特性
（d）在0nN（左），100nN（中）和200nN（右）的三个单轴力下，ZnO NW（宽度：50nm和长度：100nm）中的压电电势分布的有限元模拟
（e-f）能带图表示应变施加到NW顶部之前和之后的SBH变化
Figure 28.压电晶体管阵列和触觉成像
- 传统三端FET器件和双端压电晶体管之间的比较
（c-e）具有ZnO NW压电晶体管的高分辨率触觉皮肤传感器阵列
Figure 29.不同器件结构
Figure 30.肖特基接触和欧姆接触气体传感器的I-V特性和相应的灵敏度
Figure 31.分子探针
（a）欧姆接触装置显示对生物分子的非常小的响应（插图是装置的照片）
（b）欧姆接触器件对带负电或带正电的分子的电信号
（c）肖特基接触器件的I-V特性及其相应的SEM图像（左上插图）
（d）肖特基接触器件对各种浓度的带负电荷的分子的响应
（e-f）装置的电导对带正电荷和带负电荷的分子的响应
Figure 32.不同类型器件的比较
（a-b）欧姆接触NW传感器和肖特基接触NW传感器的原理的比较
（c）能带图表示传输特性对M-S接触界面处SBH变化的依赖性
（d-e）能带图，显示M-S接触界面处的压电效应
Figure 33.pH传感器
（a1，a2）ZnO NW的光学显微镜和基于ZnO NW的pH传感器的照片
（b）pH传感器在pH = 5的溶液中的性能
（c）pH传感器在完整pH范围内的信号
Figure 34.ZnO NW蛋白质传感器
（a）VLS制造的ZnO NW的SEM图像
（b）显示Au-NP-抗IgG表面装饰的ZnO NW蛋白质传感器的卡通图示
（c）当前对无应变单ZnO NW传感器的目标蛋白IgG浓度的信号响应
（d-h）影响压电效应对ZnO NW蛋白传感器在不同菌株和IgG浓度下的响应的影响
Figure 35.壳核结构的太阳能电池
Figure 36.基于GaN的太阳能电池
（a）p-GaN/UID-InGaN NW太阳能电池的平衡能带图的示意图
（b）GaN/渐变InGaN/InGaN NW太阳能电池的应变分量的示意图和分布
（c）p-GaN/UID渐变的InGaN/UID-InGaN NW太阳能电池的平衡能带图
（d）作为GaN/UID渐变的InGaN/UID-InGaN NW太阳能电池的电压的函数的功率密度
Figure 37.基于薄膜的太阳能电池中的压电光电子学
Figure 38.纳米线太阳能电池中的压电光电效应
（a）CdS/Cu2S同轴NW太阳能电池的制造工艺示意图
（b）在外部压缩应变下核-壳NW太阳能电池的压电势分布的示意图和COMSOL模拟
（c）在各种外部压缩应变下CdS/Cu2S同轴NW太阳能电池的I-V特性，插图显示通过光学显微镜获得的Cu2S/CdS同轴NW太阳能电池的图像
（de）相对能量效率随施加的外部应变而变化
（f）压缩应变下CdS/Cu2S同轴NW太阳能电池的能带图
Figure 39.压电光电子调谐的柔性ZnO /钙钛矿太阳能电池
（a,b）在施加的外部压缩应变和施加的外部拉伸应变下太阳能电池的I-V特性
（c,d）施加外部压缩应变和外部拉伸应变时的短路电流与开路电压之间的关系
（e,f）应变诱导的因子和相对效率变化
Figure 40.两种NW阵列太阳能电池中的压电光电二极管
（a）结构设计，SEM图像，以及在不同应变下的柔性n-ZnO/p-SnS核-壳NW阵列太阳能电池的性能
（b）不同应变下n+-Si/n-ZnO NW异质结太阳能电池的结构设计和性能
Figure 41.光电探测器中的压电光电效应
（a）用于测量压电光电效应对光电探测器影响的测试装置的示意图
（b）对于2.2×10-5W/cm2的激发光强度，ZnO NW传感器的I-V特性在不同的应变下
（c）对应于各种应变下的照射的绝对光响应
Figure 42.基于压电光电效应的单NW光电探测器
（a）在一系列应变下CdSe NW光电探测器的重复性和稳定性测试
（b-e）当CdSe NW光电探测器受到不同的光照和不同的应变以确定优化的工作条件时，光电探测器的相对电流变化
Figure 43.一种基于GaN柔性薄膜的自供电UV M-S-M光电开关器件，具有高灵敏度和超高开/关比率
（a）GaN基柔性M-S-M光电开关的结构示意图。（b）开/关切换，（c）光电流和响应度随紫外线照射的变化而变化。（d）作为外部应变函数的I-V特性。 （e）有/无应变的流动比率。
Figure 44.两种类型的压电光电效应增强核-壳混合光电探测器
（a-c）ZnO/CdS核/壳NW光电探测器的结构，SBH变化和响应度增强的图示
（d-f）制造工艺，器件设计和ZnO/ZnS核/壳NW阵列光电探测器的特性
Figure 45.两种类型的压电光电效应改进的基于NW的异质结光电探测器
（a-c）结构和设计的图示，响应和恢复过程中的电流密度，以及MIS结构光电探测器的不同压缩应变下的压电光电效应
（d-f）在各种照射和应变条件下，器件设计，应变分布的模拟和p-n结结构光电探测器的光电探测增强的图示
Figure 46.压电光电效应在NW光电探测器阵列中
（a-d）基于ZnO NW的UV光电探测器阵列的器件设计和SEM图像的示意图
（e）在不同的压缩应变下单个ZnO NW光电探测器像素的I-V曲线
（f）在40.38MPa的应变下UV照射分布的图像
（g）增强光电探测性能与施加的应变
Figure 47.灵活的光电探测器阵列
（a）图案化的CH3NH3PbI3-xClx阵列的SEM图像
（b-d）设计器件的器件结构和照片，以及有源区的相应SEM图像
（e）不同弯曲循环后单个光电探测器像素的I-t曲线
（f）演示实时轨迹，包括光点移动过程和当光点照射相应像素时端子电压的变化
（g）光电探测器阵列的成像能力的示意图
Figure 48.非均匀p-n结的模拟
（a-b）在各种外部应变下，导电带变形和n-ZnO/p-ZnO异质结构的电荷沟道的形成
（c-e）在n型侧的不同应变下的n-ZnO/p-ZnO异质结构中的传导带模拟
Figure 49.压电光电效应在单个NW p-n结LED中
（a）单个NW p-n结LED的图示
（b）在不同应变下改善单个NW p-n结LED的发光强度
（c）具有和不具有压缩应变的p-n结的能带图的图示
Figure 50.垂直n-ZnO NW/p-GaN LED的示意图
（a）垂直生长的p-n结单个NW LED的示意图
（b）应用于p-n结LED的压电效应的测试过程
（c）压缩应变下p-n结的能带结构
（d）不同应用应变下单线LED的图像和发光强度
Figure 51.压电光电效应增强了混合有机/无机单个NW LED中的光发射
（a）设备的图示
（d）混合LED结构的SEM图像
（b）作为应变函数的外部效率和光强度
（c）不同应变下的相对注入电流变化
（e）在不同的应用应变下，封装的单个NW LED的CCD图像
Figure 52.柔性的压电光电效应增强混合NW阵列
（a,b）这种柔性混合装置的示意图和照片
（c,d）混合装置阵列的SEM图像和截面SEM图像
（e）当器件电照亮时，ZnO NW/p-聚合物LED阵列的光学图像
（f）在不同压力下增强LED光发射
（g）施加压力之前（虚线）和之后（实线）的该混合装置的能带图
Figure 53.ZnO NW/有机LED压电光电效应增强阵列
（a）设备的图示
（b）LED阵列中的8个相邻像素的发光图像
（c）增强因子E是外部压力的函数
Figure 54.ZnO/Si LED纳米器件阵列
（a）双设备的照片
（b）软Si晶片上的ZnO/Si LED
（c）点亮时用显微镜拍摄的CCD图像
（d）在增加的应变下，ZnO/Si LED的光强度的变化
（e）在各种外部应变下LED的I-V曲线，其显示出与（d）中所示的光发射类似的调节性能
Figure 55.一种可视化压力映射系统，具有有序ZnO NWs的结构
（a）工作原理示意图
（b）传感器矩阵的照片，以及没有/施加外部压力的传感器矩阵的电致发光图像
（c）作为外部压缩应变函数的增强因子
Figure 56.柔性混合NW-LED的压力传感器
（a）基于柔性混合NW-LED的压力传感器的设备设计和光学图像的图示
（b）灵活的混合NW LED阵列装置的光学图像
（c）凸字符图案“BINN”的光学图像和电致发光图像
Figure 57.LED器件结构与表征
（a）Au-SiO2-CdS MIS LED器件结构的示意图和光学图像
（b）p-聚合物/ n-CdS结LED阵列的示意图和光学图像，以及装置点亮时的照片
（c）施加压缩应变的几个纳米棒LED的增强因子E。该装置的发光图像在100MPa的应变下显示由SU 8制成的具有“NANO”图案的印模
Figure 58.柔性LED阵列
（a）柔性LED阵列的压力映射性能的示意图
（b）五个典型的点亮的NW LED及其相关的发光强度线路图
（c）增强系数E是施加压力的函数
（d）凸形字符密封“BINN”的照片和高压下的电致发光图像
Figure 59.Si基LED阵列
（a）Si基LED阵列的示意图，其性能通过应变下的压电光电效应得到增强
（b）ZnO覆盖的Si微柱的横截面SEM图像
（c）在各种应用的应变下，I-V曲线和器件发光的增强
Figure 60.压电效应增强光电化学测量装置
（a）压电效应增强光电化学测量装置的示意图
（bc）应变调制光电流密度变化和在光照下施加的偏压变化
Figure 61.基于ZnO NWs的装置
（a）实验装置的示意图
（b）制造加工和（c）ZnO纤维上的ZnO NW的SEM图像
（d,e）ZnO NWs在碳纤维上的光降解性质
（f,g）压电效应增强光催化的机理
Figure 62.光催化剂
Figure 63.压电电子学，压电光子学和压电光电子学的潜在应用
【小结】
通过利用具有半导体和压电特性的纤锌矿结构材料，例如ZnO，GaN和CdS，压电，半导体和光激发特性之间的耦合产生了一系列新的研究领域。这些研究和应用的核心在于当压电材料受到应力时晶体中离子极化引起的压电电位。压电电子学是使用压电电位作为栅极电压来调节结区中载流子传输以研究新电子器件的学科。压电光电效应涉及应用压电电位来控制载流子的产生，分离，传输和重组，以改善光电应用（如太阳能电池，光电探测器和LED）的特性。压电电子学和压电光电子学是设计新型电子和光电器件的新方法。
Piezotronics and Piezo-phototronics of Third Generation Semiconductor Nanowires
(Chem. Rev., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00599)
本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。
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