河南大学程纲团队Nano Energy：基于摩擦电微等离子体的ZnO纳米线薄膜浮栅调控光电器件

【引言】

拥有高比表面积的纳米材料表面吸附离子，如O₂^-等，可以起到浮栅的作用，对纳米材料的电学和光电性能有重要的调节作用。基于此原理，我们提出了基于摩擦电微等离子体的“表面离子栅（SIG）”技术。前期研究结果证明，无论是对于一维的纳米线肖特基势垒，还是二维的MoS₂薄膜，均可实现气体离子在表面的吸附，并作为浮动的离子栅极来调控半导体的光电传输特性，在发展高性能光电器件方面具有广泛的应用前景。

【成果简介】

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授团队利用原子层沉积技术（ALD）在梳状电极上制备了Cd(OH)₂@ZnO 纳米线薄膜，利用Cd(OH)₂纳米线作为“骨架”制备了大比表面积、高灵敏度的ZnO薄膜晶体管（TFT）和ZnO薄膜光电探测器（TFP）。在具有浮动离子栅的TFT中，随着摩擦纳米发电机（TENG）工作周期的控制，所产生的微等离子中的氧气负离子吸附在纳米线表面，作为浮动的离子栅对电流进行逐步调谐，电流的最大开关比达到4.0×10⁵。在具有浮动离子栅的紫外光TFP中，光电流的开关比和恢复时间常数分别达到2.7×10⁷和0.53s，灵敏度和恢复速度分别提高了1350倍和946倍。由于TENG的低成本和易操作性，基于摩擦电微等离子体的浮动离子栅技术可以用于器件系统的构建，为开发性能更高的新型电子和光电子纳米器件提供了新的思路和有效的策略。

相关成果以“Cd(OH)₂@ZnO nanowires thin-film transistor and UV photodetector with a floating ionic gate tuned by a triboelectric nanogenerator”为题，在国际著名刊物Nano Energy发表。

硕士生郑明理为论文第一作者，程纲教授和杜祖亮教授为论文的共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的大力支持。

【图文解读】

图一、Cd(OH)₂@ZnO纳米线薄膜晶体管特性表征

（a）器件SEM图；（b）器件在不同生长循环时的I-V曲线；（c）器件在200次生长循环时的荧光光谱；（d）器件在不同温度下的I-V曲线。

图二、基于摩擦电微等离子体的表面离子栅调控技术

（a）SIG调控技术结构示意图；（b）单次气体放电调控纳米线薄膜器件在单次气体放电调控中接受到的电荷量；（c）负电晕放电过程中离子产生及迁移示意图；（d）SIG调控半导体器件电荷输运特性的示意图。

图三、纳米线薄膜晶体管的表面离子栅调控特性

（a）、（b）器件在不同调控周期下的I-V曲线；（c）器件经过真空处理后在不同调控周期下的I-V曲线；（d）不同调控周期下器件电流与调控次数及真空处理前后的关系曲线；(d)SIG调控后的器件在真空环境下不同时间的I-V曲线（e）及I-T曲线（f）。

图四、纳米线薄膜紫外光探测器的表面离子栅调控特性

纳米线薄膜紫外光检测器在未施加/施加SIG调控时的I-V-T曲线。（a）SIG调控前后的光电流曲线；SIG调控器件紫外光检测器的时间分辨的光电流开关曲线（b）及单周期开关曲线的放大图（c）；（d）、（e）及（f）为未施加SIG调控时器件相应的I-V-T曲线。

图五、表面离子栅对光电特性的调控机制

ZnO纳米线薄膜上的离子吸附及其能带结构示意图。（a）紫外光照；（b）自然状态下的氧离子吸附过程：氧气分子吸附后从表面得到电子；（c）SIG调控下氧负离子的吸附过程：氧气从微等离子体中得到电子变成氧负离子，然后吸附在纳米线表面，实现快速吸附。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104808

【作者简介】

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金3项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

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