中科院&西电ACS Nano：超高灵敏度ZnO双纳米片垂直压电晶体管

【引言】

以纳米管、纳米线、纳米薄膜为主的新型压电晶体管，由于其超高灵敏性，低耗能等优点，广泛应用于人造皮肤，国防等领域。虽然压电管可以模仿人类皮肤的触觉感应系统，但由于在器件和外界机械刺激间缺乏相应的活性界面，其压电灵敏性依然过低。最近的研究表明，金属-半导体-金属结构的压电晶体管可通过控制肖特基势垒直接调控器件的压电传输特性，不需要施加栅极电压，就可以直接将机械刺激转化为电学刺激，但由于晶体管两端金属-半导体接触的应力诱导压电势刚好相反，再加上半导体的屈曲效应，导致器件灵敏性降低，因此研发新型可调控肖特基势垒的器件显得至关重要。

【成果简介】

近日，中科院王中林院士和西安电子科技大学秦勇教授（共同通讯作者）在ACS Nano上发表了一篇题为“Ultrasensitive Vertical Piezotronic Transistor based on ZnO Twin Nanoplatelet”的文章。在该文章中，研究人员通过Zn(CHCOO与THAM合成ZnO双纳米片，通过射频磁控溅射在SiO/Si沉积了Cr/Au(5nm/60nm)层，然后在其上负载ZnO双纳米片，从而得到ZnO双纳米片压电晶体管。此器件的压电灵敏度可高达1448.08~1677.53 meV/MPa，比先前报道的最高纳米线基压电晶体管高50倍左右，此外在紫外光辐射下，该器件的光电响应率可达1.45×10⁴ A·W^-1。

【图文导读】

图一 ZnO双纳米片的表征及性能测试

(a-b) ZnO双纳米片的SEM图像：(a)顶视图，(b)侧视图，图中的尺度大小为1mm；

(c) 不同射频频率下，ZnO单纳米片与双纳米片压电系数图；

(d) TNPT的结构示意图；

(e) TNPT的能带图；

(f) 不同的压力下，TNPT的电压vs.电流关系图；

(g) 反向偏置时，TNPT的电压-电流关系图；

(h) 计算肖特基势垒变化量随压力变化的关系曲线图。

图二 TNPT的压电性能测试

(a) 偏置电压为-1.5时，电流随压力的变化图示；

(b) 电流对数值vs.外加压力的实验值与拟合曲线；

(c) 压电电流vs.间隔外加压力关系曲线，器件表现出非凡的灵敏度和施加压力与电导之间的调制关系；

(d) 在145 s-165 s时间段内，电流与负载压力的相应变化图。

图三 TNPT的三维有限元模拟计算

(a) 有限元模拟为0.001压缩应变下，传统纳米线/棒基压电晶体管示意图；

(b) 不同的外加应力下，传统纳米线/棒基压电晶体管电流压vs.与电压流曲线，插图为施加外力前后，器件的能带变化示意图；

(c) 有限元模拟为0.001压缩应变下，TNPT结构示意图；

(d) 不同的负载压力下，TNPT电流vs.电压曲线图，插图为施加外力前后，ZnO双纳米片压电晶体管的能带变化示意图。

图四 不同的外加应力下，TNPT的光响应性能测试

(a) 恒定光照条件下，不同的压力对应的源-漏伏安特性；

(b-c) TNPT的光敏性和光响应性与施加压力间的函数关系曲线；

(d) 紫外辐照下，TNPT的能带图谱，以及TNPT增强模式的工作机理，ΦB代表肖特基势垒。

【小结】

研究人员通过成功制备ZnO双纳米片材料，然后将其负载在蒸镀有Cr/Au层的SiO₂/Si基片上，由于ZnO纳米片独特的镜面对称结构及优异的压电性能，能够有效地降低肖特基势垒，直接将机械刺激转化为电学信号。测试结果显示，此ZnO双纳米片压电晶体管的压电灵敏度可高达1448.08~1677.53 meV/MPa，其性能远远优于目前所报道的纳米线/棒基压电晶体管，其在诸多领域都有很好的发展光景。

文献链接：Ultrasensitive Vertical Piezotronic Transistor based on ZnO Twin Nanoplatelet（ACS Nano, 2017, DOI: 10. 1021/ acsnano. 7b01374）

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