王中林、兰州大学秦勇Nature Nano：中心对称半导体的挠曲电电子学

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过去几十年，摩尔定律作为半导体技术的路线图一直在成功地指引和驱动信息科技的发展。几乎所有半导体电子元器件的运行都依赖于外部电压调控沟道宽度的门控机制。然而随着微电子工业的不断进步，CMOS器件不仅受到小尺寸制造技术的限制，而且还受到一些基本物理学原理的限制如漏电场，电介质的击穿等等。近年来，利用压电效应、热释电效应、铁电效应或其他效应产生的局部极化在半导体电子学中实现界面调控的研究引起了人们极大的兴趣和关注。作为一种不同于CMOS的工作原理，界面调控工程在电子/光电子学、传感、人机界面、人工智能等领域同样具有广阔的应用前景，并且已经取得了巨大的进展。
　　压电电子学(Piezotronics)是界面调控工程中的一个新兴领域，于2007年由王中林院士首次提出。压电电子学效应是压电半导体中压电特性与半导体特性的耦合效应，是利用金属-半导体界面或半导体-半导体界面处产生的压电极化电荷(或由其产生的压电电势) 对界面处自由载流子的浓度和分布产生实质的影响，进而有效调节界面或结区的势垒高度和宽度，进而调控器件中载流子的输运特性。压电电子学效应利用内部界面调控替代了传统的外部沟道调控，创新地利用机械信号来直接产生控制信号。压电电子学效应在压电半导体中普遍存在，尤其是在第三代半导体（ZnO, GaN ect.）。经过近些年的发展，压电电子学在智能传感、人机界面和纳米机器人等领域取得了重大的进展，同时也衍生出了一些新的研究领域。然而，压电电子学效应以及基于热释电效应、铁电效应的界面调控效应仅存在于一些非中心对称半导体材料中，极大限制了它们在第一代和第二代半导体如Si、Ge、GaAs等材料中的应用。因此，探索在具有中心对称结构的半导体中引入类似的界面调控效应具有重要的价值和意义。
　　这里要引入另外一个效应，挠曲电效应，该效应是应变梯度诱导的电极化现象，通过非均匀应变，引起材料极化(正负电荷中心的分离)，进而产生极化场（极化电势）。挠曲电效应作为一种特殊的力电耦合效应，具有不受材料对称性限制、不受材料居里温度限制，不受材料尺寸限制等特点，为在中心对称结构的半导体中实现类压电电子学效应提供了一种方法或者途径。

挠曲电电子学

图1. 具有中心对称结构的半导体中的挠曲电电子学的机理。　　  

挠曲电电子学

图2. 挠曲电电子学及相关领域的展望

　　近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所、佐治亚理工学院王中林院士和兰州大学秦勇教授的指导下，王龙飞博士、刘书海博士和冯晓龙等研究成员在具有中心对称结构的半导体(Si, TiO2 etc.)中发现了一种新的电子学调控机制，挠曲电电子学(flexoelectronics/flexotronics)，该机制不受限于半导体材料的晶体结构，几乎适用于任何类型的无机半导体材料，因此把挠曲电效应的应用推广到第一代和第二代半导体中，例如Si, Ge, GaAs等。其原理与压电电子学的原理相似，是利用金属-半导体界面附近的挠曲电极化电荷（极化电势）作为门极电压有效地调控界面肖特基势垒，从而控制界面处载流子的输运特性（图1）。与压电电子学所不同的是，由局部非均匀应变引起的挠曲电极化不仅存在于材料表面，而且也分布在材料内部一定的空间区域，因此挠曲电极化电荷将同时影响界面处的电子态以及界面附近半导体内部的自由载流子的浓度和分布。换言之相较于压电效应，挠曲电效应作用的空间区域更为广泛。该工作系统地研究了静态力作用下，不同结构晶体中的挠曲电电子学，以及在纳米尺度、动态力作用下的挠曲电电子学，同时进行了深入的理论分析，并且探讨了挠曲电电子学与压电电子学的关系,他们可以简单描述为积分和微分的关系。
　　这项研究不仅深入阐述了在具有中心对称结构的半导体中的挠曲电电子学效应，也将压电电子学的研究从压电半导体（非中心对称的第三代半导体）拓展到了具有中心对称结构的（第一代和第二代）半导体中；同时使关于挠曲电效应从绝缘体到半导体的研究得到了进一步的发展，尤其是将挠曲电效应应用于半导体电子学方面的研究，极大地促进了基于半导体的挠曲电技术的研究和发展 (图2)。相关研究成果以“Flexoelectronics of centrosymmetric semiconductors”为题发表在期刊Nature Nanotechnology上 (https://www.nature.com/articles/s41565-020-0700-y)。  
　　References
　　1.Wang, L., Liu, S., Feng, X., Zhang, C., Zhu, L., Zhai, J., Qin, Y., Wang. Z. L. Flexoelectronics of centrosymmetric semiconductors. Nat. Nanotechnol. https://www.nature.com/articles/s41565-020-0700-y.
　　2.Wang, Z. L. Nanopiezotronics. Adv. Mater. 19, 889-892 (2007).
　　3.Wang, Z. L. and Wu, W. Z. Piezotronics and piezo-phototronics: fundamentals and applications. Natl. Sci. Rev. 1, 62-90 (2014).
　　4.Wu, W. Z. and Wang, Z. L. Piezotronics and piezo-phototronics for adaptive electronics and optoelectronics. Nat. Rev. Mater. 1, 17 (2016).
　　5.Pan, C., Zhai, J. and Wang, Z. L. Piezotronics and piezo-phototronics of third generation semiconductor nanowires. Chem. Rev. 119, 15, 9303-9359 (2019).
　　6.Narvaez, J., Vasquez-Sancho, F., Catalan, G. Enhanced flexoelectric-like response in oxide semiconductors. Nature 538, 219-221 (2016).


        文章来源：纳米能源所
        王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。王博士现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。他是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家.
        秦勇，男，1976年5月出生，博士，教育部长江学者特聘教授，博士生导师，兰州大学材料科学与工程学科负责人，兰州大学纳米科学与技术研究所所长，首批中组部'万人计划'青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，霍英东教育基金获得者，教育部新世纪优秀人才，甘肃省'五四青年奖章'获得者。