中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林

kejibu

佐治亚理工学院王中林团队Adv. Mater.：利用摩擦纳米发电机实现强关联氧化物的动态电子掺杂

外部激励通常可以用来调控材料的性质从而实现其功能化。典型的例子包括栅极电压之于场效应晶体管（FET），磁场之于自旋电子学，以及力场之于压电电子学。某些过渡金属氧化物所具有的独特的金属-绝缘体相变（MIT）特性能够产生优异的开关比，自旋轨道耦合，甚至导致超导性，因而可以用于各类电学器件。作为典型的强关联氧化物，二氧化钒（VO2）的金属-绝缘体相变对电荷密度和电子轨道占据非常敏感。因此，将VO2作为场效应晶体管的通道，通过控制栅极电压能够有效实现其相变调控。然而，由于VO2的相变过程对温度非常敏感，如果利用固体电介质层来施加栅压，则不可避免地产生漏电流或者电击穿，从而导致局部的焦耳热效应。通过某些离子液体作为介质层也能够施加外电场，但是离子液体和氧化物之间往往会发生界面电化学反应，从而使得研究电场调控相变过程变得更为复杂。

近日，在佐治亚理工学院王中林院士和中国科学技术大学邹崇文研究员团队的带领下，与西安交通大学和河南科技大学合作，通过集成TENG提出了一种新颖的三端VO2器件。诱导电子在VO2通道中出现并消失，通过接触和分离TENG的PTFE和尼龙层来控制。FEA模拟显示VO2的感应电子平均密度可以高达1010~1011cm-2，可以实现更高的密度（≈1012 cm-2），以改善TENG-VO2在真空条件下的性能。实验结果表明，在不同温度下，TENG-VO2装置可以调节VO2通道的电阻，VO2的PTR调节程度更为显著。第一性原理计算结果进一步证实，TENG器件在VO2中的感应电子掺杂将向上移动EF并逐渐占据3d轨道，从而产生明显的相位调制。目前的研究不仅证明了电荷掺杂以调整相关氧化物的电子态，而且还将TENG的应用扩展到新型tribotronic晶体管或其他相关氧化物器件的开发中。相关成果以题为“Dynamic Electronic Doping for Correlated Oxides by a Triboelectric Nanogenerator”发表在了Adv. Mater.上。

总之，团队将摩擦电纳米发电机（TENG）和VO2相变薄膜材料相结合，制作了一种新型的TENG-VO2器件，在室温下实现了电子掺杂以及相应的相变过程调制。通过TENG构筑类场效应晶体管结构，可以在VO2通道中感应出高浓度电荷，从而实现电子掺杂来调节VO2的电子结构。通过这种动态的电荷掺杂，VO2通道的电阻/电阻率能够得到实时调制，而且这种调制作用在VO2的相变温区更为显著。通过有限元分析模拟了VO2通道中电荷的积累，并通过理论计算验证了电子掺杂机制。该结果有望应用于开发新型的压电晶体管和新型电子掺杂技术。

文献链接：Dynamic Electronic Doping for Correlated Oxides by a Triboelectric Nanogenerator（Adv. Mater. ,2018,DOI：10.1002/adma.201803580）