 导语 摩擦纳米发电机（TENG）基于摩擦起电和静电感应效应，通过两种不同的材料接触分离产生静电荷，将外部环境的机械能转换成电能，近期在许多领域取得了重大突破性进展。此外，TENG还可以调控半导体中载流子的电学输运特性。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员和王中林院士研究团队基于摩擦电子学的原理，制备了一种新型的二硫化钼（MoS2）摩擦离子电子学晶体管（Triboiontronic Transistor），利用摩擦电势在电解液/二维半导体界面处诱导形成双电层（Electric Double Layers, EDLs），其可高效率调控二维材料半导体的电学性能。这项工作展现了一个通过外部机械指令来高效率调制二维材料半导体器件以及低功耗主动式逻辑电路，在人机交互、电子皮肤、智能传感以及其他可穿戴器件等领域有巨大的应用前景。相关研究成果发表于Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.201806905）。 孙其君研究员课题组简介 孙其君研究员课题组现有研究人员10人，包括博士研究生5名，硕士研究生5名。目前课题组依托中国科学院北京纳米能源与系统研究所进行研究，以纳米能源与纳米系统核心技术为研发目标，在石墨烯等二维材料电子器件、电子皮肤、压电电子学、摩擦电子学以及自充电能源包等领域开展基础和应用基础研究。代表性成果如下： （1）压电调控半导体器件：调控沟道费米能级（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.8b07477）；调控肖特基势垒（Nano Energy, 2018, 50, 598）；压电势写入式非易失性存储器（ACS Nano, 2016, 10, 11037）；压电势驱动电子皮肤（Adv. Mater., 2015, 27, 3411）。 孙其君研究员简介 孙其君，博士生导师。2013年获韩国嘉泉大学博士学位。2013-2015年分别在韩国浦项工业大学和成均馆大学从事博士后研究。2015-2016年在成均馆大学任研究教授。2016年加入中科院北京纳米能源所。在国际知名杂志Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano等发表论文20余篇。多次参加重要国际会议并做邀请报告。入选北京市海外高层次人才计划和中科院“百人计划”。 前沿科研成果 一种新型的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管 TENG利用两种材料接触分离产生静电荷，将外部环境的机械能转换成电能，近期在许多领域取得了重大突破性进展，包括从多种机械运动获取能源、自驱动机械感应系统、高灵敏质谱分析以及常压下机械触发的等离子体等。当TENG产生的静电场与电容性器件耦合时（例如场效应晶体管），半导体沟道中载流子的传输特性可以被摩擦电势有效调制，这也就形成了摩擦电子学晶体管，这个概念由王中林院士研究团队于2014年首次提出。 为了制备高性能的摩擦电子学晶体管，作者近期利用双栅结构的电容耦合效应，将基于二硫化钼的摩擦电子学晶体管电流开关比拓展到六个数量级以上（Adv. Mater. 2018, 30, 1705088）；并且通过平面设计以及利用直接接触模式，同样简化了石墨烯摩擦电子学机械传感器件（ACS Nano, 2018, 12, 9381）。然而，鉴于之前复杂的加工工艺和较为一般的电学性能，为了开发更高性能以及结构更为简单的主动式摩擦电子学晶体管，针对TENG与半导体器件耦合的基础物性研究和相关工艺工程迫切地需要更深入的探索。 对于一个典型的场效应晶体管，人们希望得到一个高比电容的栅介电层，这样可以产生更强的电场以在半导体沟道中累积更多的载流子。对于离子调控的场效应晶体管，利用离子凝胶作为介电层，在外加栅极电压驱动下正负离子可以快速移动并在电解质/半导体界面聚集，同时使半导体沟道在界面处累积丰富的载流子，形成双电层结构。该双电层可视为具有1 nm间隙的高比电容的电容器，承载几乎所有外部栅极电压降，其内部可以产生极强的电场，从而有效地控制半导体沟道界面处的载流子密度。这种离子调控的双电层晶体管可应用于高性能低功耗晶体管以及生物化学传感中。另外，该双电层也代表了离子和电子的相互作用，衍生了一个通过离子迁移传输和重新排布控制电子特性的交叉学科研究领域，即离子电子学。对未来的物联网时代，如何利用外部机械运动触发离子迁移来获得高性能电学器件具有重大的意义。 在本研究中，作者基于摩擦电子学的原理，制备了一种新型的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管，在接触分离模式的TENG产生的摩擦电势驱动下，引起离子的敏捷的迁移并在电解液/半导体界面处聚集，形成双电层电容（图1）。作者进一步调控二硫化钼晶体管沟道中载流子输运特性，摩擦离子电子学连接了摩擦电势调制特性（摩擦电子学）以及离子调控的半导体特性（离子电子学），并且在不需要外加栅压的情况下，二硫化钼摩擦离子电子学晶体管可实现自驱动主动式操控。 图1. 摩擦电势诱导形成双电层 （来源：Adv. Mater.） 摩擦电势在离子凝胶和二硫化钼半导体界面处可诱导形成超高比的双电层电容，最大电容达到5.9 μF·cm-2，远大于传统介电层的电容（例如，对于300 nm SiO2电介质，电容为11.5 nF·cm-2），该双电层电容可高效率调制沟道中载流子传输性能。 图2. 摩擦离子电子学晶体管器件示意图及基本性能表征 （来源：Adv. Mater.） 离子调控的二硫化钼晶体管（图2）具有优异的电学性能，其亚阈值摆幅为60 mV/dec。不需要额外栅压，在增强模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管可主动式操控，器件表现出低的阈值（75 μm）和陡峭的开关特性（20 μm/dec），器件开关比为104。 图3. 摩擦离子电子学晶体管的工作原理以及两个工作模式下的基本性能表征 （来源：Adv. Mater.） 通过预设摩擦纳米发电机的初始状态，即规定初始摩擦距离对应的摩擦电势为零电势，摩擦离子电子学晶体管可以在增强模式和耗尽模式两个工作模式下工作（图3），可以达到更高的电流开关比（107）以及超低的关态电流（0.1 pA）。这项工作还展示了二硫化钼摩擦离子电子学反相器（图4），反相器的对应增益为8.3 V/mm，并且具有较低的功耗以及优异的电学稳定性。 图4. 摩擦离子电子学反相器及其性能表征 （来源：Adv. Mater.） 图5. 摩擦离子电子学在相关领域展望 （来源：Adv. Mater.） 摩擦离子电子学，将摩擦起电特性、半导体特性和电解质耦合的研究领域，研究的是摩擦电势驱动下离子调控的半导体电学特性，提供了与机械运动相结合的新的物理特性，是摩擦电子学与离子电子学研究领域的交叉学课。总之，摩擦离子电子学将在材料、信息、环境、化学、生物医学等领域具有潜在的应用价值。 关于人物与科研 在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。 * 欢迎联系：editor@chembeango.com  |
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