隨著電子和信息技術的發展，電子器件不斷趨於小型化、多功能化和智能化。在未來，通過將各種用於環境監測、人機互動、生物醫藥等領域的電子器件集成到智能微系統以及大規模網絡中，可以促進萬物的互聯從而實現信息交互和智能識別。所以一方面數量巨大的電子器件的使用，需要解決電池壽命有限的問題實現自驅動化；另一方面建立電子器件和外部環境的直接交互機制，實現主動式的信息獲取也是十分必要的。2012年王中林院士團隊以麥克斯韋位移電流第二項為理論根基提出了摩擦納米發電機（TENG, triboelectric nanogenerator），能有效地將環境機械能和人體運動能轉化為電能。因此TENG可以作為電源和主動式傳感器，並且展示了在可攜式電子產品、環境監測以及健康醫療設備等領域的廣泛應用前景。
2014年張弛研究員和王中林院士研製了接觸起電柵控型電晶體（ACS Nano. 2014, 8, 8702-8709），實現了以TENG的輸出電壓作為電晶體的柵極電壓從而對半導體的載流子輸運進行調控，並基於此提出了摩擦電子學（Tribotronics）的概念。摩擦電子學作為一個全新的領域主要是研究摩擦電和半導體的耦合效應與交互作用。隨後開發了一系列摩擦電子學功能器件與應用，其中包括機電耦合邏輯運算（Adv. Mater. 2015, 27, 3533; Nano Res. 2017, 10, 3534）、接觸式機電存儲（Adv. Mater. 2016, 28, 106）、觸控型電致發光（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5625）、增強型光電轉換（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2554）、智能觸摸開關（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2104; Nano Energy. 2017, 31, 533）、主動式觸覺成像（ACS Nano. 2016, 10, 10912）、模擬信號調製（ACS Nano. 2017, 11, 882）以及壓力傳感（ACS Nano. 2017, 11, 11566）等。這些器件體現了外部機械運動對於電子器件的摩擦調控，建立了電子器件與外部環境的直接交互機制。然而，對於目前絕大多數的摩擦電子學功能器件，其與外部環境的交互介面均為宏觀尺度，這大大限制了摩擦電子學器件的集成化和模塊化。當尺度減小到微/納米時，摩擦電與半導體的相互作用是否還存在，這對於摩擦電子學是一個亟待回答的問題。
圖：a. 納米尺度摩擦起電調控的電晶體的示意圖 b. 介電層表面電勢分布隨摩擦次數的變化關係 c. 轉移特性曲線 d. 輸出特性曲線
針對上述問題，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士領導的研究團隊通過結合接觸模式的原子力顯微鏡（C-AFM, contact-mode atom force microscope）和掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM, scanning kelvin probe microscope）研製了納米尺度摩擦起電調控的電晶體（NTT, nanoscale triboelectrification gated transistor）。該器件是通過直徑為20 nm的AFM探針與頂柵介電層（SiO2）在5 μm×5 μm的溝道區域內進行摩擦起電產生靜電勢，進而對半導體中的載流子輸運進行調控。其中由納米尺度摩擦起電產生的電勢差會隨著AFM探針掃描次數的增加而增加，並且在掃描兩次後達到-1.5 V的飽和值，相應的源漏電流也會從138 μA增加至280 μA。同時，電勢差以及源漏電流也會分別隨著接觸力的增加和掃描速度的減小而達到飽和值。此外，在掃描區域變化以及電荷耗散存在的情況下，NTT的調控特性也得到了驗證。進一步的通過外加探針電壓的方式，納米尺度摩擦起電產生的電勢差可以在-5 V到2 V之間變化，進而可以作為可複寫的浮柵，實現了源漏電流在125 μA到443 μA之間的任意調控。該研究首次在實驗上實現了納米尺度下對電子器件的摩擦電調控，證明了微納尺度下摩擦電子學器件的可行性，有助於深入理解摩擦電子學的理論機制，並有望用於納米電子器件、微納電子電路，微納機電系統等領域。相關研究成果以「Nanoscale triboelectrification gated transistor」為題於2月26日發表在國際學術期刊《自然-通訊》上（Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14909-6）。該文章的第一作者為布天昭、許亮，通訊作者為張弛、王中林。該工作得到了國家自然科學基金和北京自然科學基金的支持。
來源 北京納米能源所
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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14909-6