Adv. Mater. :高分辨触觉成像用超灵敏二维ZnO压电子晶体管阵列

【引言】

抛开人们在集成电路沿着摩尔定律发展中的工作不说，现在人们把越来越多的努力投入到将多功能微纳器件转化为大规模多功能微纳系统技术研究中，其在环境、人类健康监测、人机界面交互技术等诸多领域有重要应用。人们努力的方向之一就是在未来能够开发一种能够传感压力应变的高集成复杂系统。多功能纳米器件，比如集成电路和传统的金属氧化物场效应晶体管，针对这个问题做了很多努力。基于集成电路和传统晶体管制备的传感压力应变系统，由于电信号与力信号联系不直接等问题，存在灵敏度低、分辨率低等缺陷。压力电子器件由于可以将机器和人或外界环境直接联系起来，有望实现人类的这一目标。但是压力电子器件的灵敏度和集成化的问题是现在厄待解决的问题。

【成果简介】

近日，来自中科院北京纳米能源与系统研究所王中林（通讯作者）和西安电子科技大学秦勇等人制备出了一种新的二维压电子晶体管，其拥有迄今为止最高的灵敏度，并开发了一种二维压电晶体管阵列器件，该器件拥有超高的空间分辨率。

他们开发了一种较小顶面的六方氧化锌纳米片材料，长宽比大约为0.42，基于这种的几何构造，纳米片受到外力的压曲效应可以忽略，从而可以保证基于该材料的压电子晶体管的灵敏度。而且，他们也设计了一种新的二维压电子晶体管，具有三明治结构，氧化锌纳米片在钯催化电极和重掺杂的n型硅电极之间。他们所制备的压电子晶体管具有超高的压力应变灵敏度，高达60.97–78.23 meV MPa⁻¹，是其他纳米线材料压电子晶体管的90-116倍，比已报道的纳米线束压电子晶体管灵敏度高两倍多。他们还将氧化锌纳米片开发成有序的纳米片阵列，基于此的压电子设备，拥有超高的分辨率。

氧化锌纳米片阵列，作为一种有源的传感器，可以直接将力信号转化成电信号，不需要施加触发电压。氧化锌纳米片阵列凭借其的巨大优势，可以成为压电子领域重要组成部分。他们制备的氧化锌纳米片阵列，为开发大规模、集成晶体管系统开了一扇窗。他们工作也推动了压电子材料在人机交互技术、智能传感器、处理器等领域的应用。

【图文导读】

图1  氧化锌纳米片的设计、制备、性能表征

（a）没有外力（左边）或者有外力（右边）条件下，直立压电子微纳材料的压曲效应示意图。h和r₀分别代表压电子微纳材料的高度和半径。Dmax代表的横向挠曲最大弯曲度。

（b）恒定压力下，不同偏移量的直立压电子微纳材料横向挠曲最大弯曲度Dmax和纵横比平方(Δl/2r₀)²的线性关系理论计算结果。

（c）在5MPa的压力条件下，偏移量为80%的纳米线的弯曲分布理论模拟结果，模拟方法为有限元分析法。计算所用的长度为5μm。

（d）氧化锌纳米片的AFM形貌图，插图：AFM行高轨道。

（e）不同频率下氧化锌的压电系数d₃₃。

图2  二维压电子晶体管的设计

（a）二维双端氧化锌压电子晶体管（2DPT）的示意图。晶体管中氧化锌纳米片沿着c轴整齐排列（红色箭头）。

（b）2DPT设备的能带图，用来解释压电行为。

（c）2DPT设备中通过应变，在相反的漏偏压条件下，对载流子运输的调制，其显示的是压电子效应的特征。插图是恒定0.02MPa压力下，实验测量的I-V曲线。

（d）反向偏压条件下，电流与半对数电压关系曲线图。

（e）计算的SBH与所加压力关系曲线图。

图2  2DPT设备不同压力条件下的电流响应

（a）在恒定电压条件下，2DBT设备中的电流随着所加压力的增大，一步步增大。

（b）Ln（I）与P的关系曲线，其显示的是Ln（I）和所加压力的线性关系。

（c）电流对压力脉冲信号的响应。

（e）100到125s时间范围内，压力变化引起电流变化的时间响应。

图2  2DPT阵列设备的触觉成像

（a）2DPT阵列材料的示意图。

（b）拥有高分辨率的2DPT阵列的扫描电子显微图。

（c）时间域中的电导测量结果。

（e）3 × 4压敏阵列对微小触摸映射图像和相应的电流信号响应的二维剖面图，该剖面图是通过绘制像素信号得到的。“编码-解码”过程将输入的压力信号转化为相应的电信号输出。

【小结】

他们制备出了拥有极高灵敏度的二维氧化锌纳米片压电子晶体管和很高分辨率的二维氧化锌纳米片阵列，大大推动了压电子材料的发展，促进了压电子材料在人机交互技术、智能传感器、处理器等领域的应用。

文献链接：Ultrasensitive 2D ZnO Piezotronic Transistor Array for High Resolution Tactile Imaging（Advanced Materials,2017, DOI/10.1002/adma.201606346/full）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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