张弛课题组：纳米尺度摩擦起电调控的晶体管

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随着电子和信息技术的发展，电子器件不断趋于小型化、多功能化和智能化。在未来，通过将各种用于环境监测、人机交互、生物医药等领域的电子器件集成到智能微系统以及大规模网络中，可以促进万物的互联从而实现信息交互和智能识别。所以一方面数量巨大的电子器件的使用，需要解决电池寿命有限的问题实现自驱动化；另一方面建立电子器件和外部环境的直接交互机制，实现主动式的信息获取也是十分必要的。2012年王中林院士团队以麦克斯韦位移电流第二项为理论根基提出了摩擦纳米发电机（TENG, triboelectric nanogenerator），能有效地将环境机械能和人体运动能转化为电能。 因此TENG可以作为电源和主动式传感器，并且展示了在便携式电子产品、环境监测以及健康医疗设备等领域的广泛应用前景。

　　2014年张弛研究员和王中林院士研制了接触起电栅控型晶体管（ACS Nano. 2014, 8, 8702-8709），实现了以TENG的输出电压作为晶体管的栅极电压从而对半导体的载流子输运进行调控，并基于此提出了摩擦电子学（Tribotronics）的概念。摩擦电子学作为一个全新的领域主要是研究摩擦电和半导体的耦合效应与交互作用。随后开发了一系列摩擦电子学功能器件与应用，其中包括机电耦合逻辑运算（Adv. Mater. 2015, 27, 3533; Nano Res. 2017, 10, 3534）、接触式机电存储（Adv. Mater. 2016, 28, 106）、触控型电致发光（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5625）、增强型光电转换（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2554）、智能触摸开关（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2104; Nano Energy. 2017, 31, 533）、主动式触觉成像（ACS Nano. 2016, 10, 10912）、模拟信号调制（ACS Nano. 2017, 11, 882）以及压力传感（ACS Nano. 2017, 11, 11566）等。这些器件体现了外部机械运动对于电子器件的摩擦调控，建立了电子器件与外部环境的直接交互机制。然而，对于目前绝大多数的摩擦电子学功能器件，其与外部环境的交互界面均为宏观尺度，这大大限制了摩擦电子学器件的集成化和模块化。当尺度减小到微/纳米时，摩擦电与半导体的相互作用是否还存在，这对于摩擦电子学是一个亟待回答的问题。
　　针对上述问题，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士领导的研究团队通过结合接触模式的原子力显微镜（C-AFM, contact-mode atom force microscope）和扫描开尔文探针显微镜（SKPM, scanning kelvin probe microscope）研制了纳米尺度摩擦起电调控的晶体管（NTT, nanoscale triboelectrification gated transistor）。该器件是通过直径为20 nm的AFM探针与顶栅介电层（SiO2）在5 μm×5 μm的沟道区域内进行摩擦起电产生静电势，进而对半导体中的载流子输运进行调控。其中由纳米尺度摩擦起电产生的电势差会随着AFM探针扫描次数的增加而增加，并且在扫描两次后达到-1.5 V的饱和值，相应的源漏电流也会从138 μA增加至280 μA。同时，电势差以及源漏电流也会分别随着接触力的增加和扫描速度的减小而达到饱和值。此外，在扫描区域变化以及电荷耗散存在的情况下，NTT的调控特性也得到了验证。进一步的通过外加探针电压的方式，纳米尺度摩擦起电产生的电势差可以在-5 V到2 V之间变化，进而可以作为可复写的浮栅，实现了源漏电流在125 μA到443 μA之间的任意调控。该研究首次在实验上实现了纳米尺度下对电子器件的摩擦电调控，证明了微纳尺度下摩擦电子学器件的可行性，有助于深入理解摩擦电子学的理论机制，并有望用于纳米电子器件、微纳电子电路，微纳机电系统等领域。相关研究成果以“Nanoscale triboelectrification gated transistor”为题于2月26日发表在国际学术期刊《自然-通讯》上（Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14909-6），
       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14909-6。该文章的第一作者为布天昭、许亮，通讯作者为张弛、王中林。该工作得到了国家自然科学基金和北京自然科学基金的支持。
        文章来源：北京能源所


        张弛，中国科学院北京纳米能源与系统研究所青年研究员，博士生导师，摩擦电子学研究组负责人。2004年获华中科技大学学士学位，2009年获清华大学博士学位。曾在清华大学从事博士后研究工作，并赴日本NSK精工株式会社研修。主要从事纳米能源、耦合传感和微纳集成系统领域的研究，集中于摩擦纳米发电机、摩擦电子学与摩擦光电子学器件、自驱动MEMS/NEMS智能器件与集成系统等，并开展其在传感器网络、人机交互和新能源等领域的应用研究。近年来在摩擦纳米发电机新原理、新应用等方面开展了一系列原创性研究，并首次提出了由摩擦电和半导体耦合的摩擦电子学新研究领域，在摩擦电子学基础理论、材料多样性、功能器件以及阵列化集成等方面取得了具有重要国际影响力的研究成果。已在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nano Today等国际权威学术期刊上发表论文50余篇，获14项专利授权，多次参加重要国际会议并做邀请报告。曾获NSK中日友好机械工学优秀论文奖、中国博士后科学基金面上资助和特别资助，主持国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目和北京市自然科学基金预探索项目。现为中国科学院青年创新促进会会员，中国微米纳米技术学会高级会员、青年工作委员会委员、微纳传感技术分会理事，NANOSMAT学会会士。　
         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.