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【Nature Nanotechnology】中心對稱半導體的撓曲電電子學
發表日期: 2020-06-23 文章來源:
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  過去幾十年,摩爾定律作為半導體技術的路線圖一直在成功地指引和驅動信息科技的發展。幾乎所有半導體電子元器件的運行都依賴于外部電壓調控溝道寬度的門控機制。然而隨著微電子工業的不斷進步,CMOS器件不僅受到小尺寸制造技術的限制,而且還受到一些基本物理學原理的限制如漏電場,電介質的擊穿等等。近年來,利用壓電效應、熱釋電效應、鐵電效應或其他效應產生的局部極化在半導體電子學中實現界面調控的研究引起了人們極大的興趣和關注。作為一種不同于CMOS的工作原理,界面調控工程在電子/光電子學、傳感、人機界面、人工智能等領域同樣具有廣闊的應用前景,并且已經取得了巨大的進展。 

  壓電電子學(Piezotronics)是界面調控工程中的一個新興領域,于2007年由王中林院士首次提出。壓電電子學效應是壓電半導體中壓電特性與半導體特性的耦合效應,是利用金屬-半導體界面或半導體-半導體界面處產生的壓電極化電荷(或由其產生的壓電電勢) 對界面處自由載流子的濃度和分布產生實質的影響,進而有效調節界面或結區的勢壘高度和寬度,進而調控器件中載流子的輸運特性。壓電電子學效應利用內部界面調控替代了傳統的外部溝道調控,創新地利用機械信號來直接產生控制信號。壓電電子學效應在壓電半導體中普遍存在,尤其是在第三代半導體(ZnO, GaN ect.)。經過近些年的發展,壓電電子學在智能傳感、人機界面和納米機器人等領域取得了重大的進展,同時也衍生出了一些新的研究領域。然而,壓電電子學效應以及基于熱釋電效應、鐵電效應的界面調控效應僅存在于一些非中心對稱半導體材料中,極大限制了它們在第一代和第二代半導體如SiGeGaAs等材料中的應用。因此,探索在具有中心對稱結構的半導體中引入類似的界面調控效應具有重要的價值和意義。 

  這里要引入另外一個效應,撓曲電效應,該效應是應變梯度誘導的電極化現象,通過非均勻應變,引起材料極化(正負電荷中心的分離),進而產生極化場(極化電勢)。撓曲電效應作為一種特殊的力電耦合效應,具有不受材料對稱性限制、不受材料居里溫度限制,不受材料尺寸限制等特點,為在中心對稱結構的半導體中實現類壓電電子學效應提供了一種方法或者途徑。 

  近日,在中科院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院王中林院士和蘭州大學秦勇教授的指導下,王龍飛博士、劉書海博士和馮曉龍等研究成員在具有中心對稱結構的半導體(Si, TiO2 etc.)中發現了一種新的電子學調控機制,撓曲電電子學(flexoelectronics/flexotronics),該機制不受限于半導體材料的晶體結構,幾乎適用于任何類型的無機半導體材料,因此把撓曲電效應的應用推廣到第一代和第二代半導體中,例如Si, Ge, GaAs等。其原理與壓電電子學的原理相似,是利用金屬-半導體界面附近的撓曲電極化電荷(極化電勢)作為門極電壓有效地調控界面肖特基勢壘,從而控制界面處載流子的輸運特性(圖1)。與壓電電子學所不同的是,由局部非均勻應變引起的撓曲電極化不僅存在于材料表面,而且也分布在材料內部一定的空間區域,因此撓曲電極化電荷將同時影響界面處的電子態以及界面附近半導體內部的自由載流子的濃度和分布。換言之相較于壓電效應,撓曲電效應作用的空間區域更為廣泛。該工作系統地研究了靜態力作用下,不同結構晶體中的撓曲電電子學,以及在納米尺度、動態力作用下的撓曲電電子學,同時進行了深入的理論分析,并且探討了撓曲電電子學與壓電電子學的關系,他們可以簡單描述為積分和微分的關系。 

  這項研究不僅深入闡述了在具有中心對稱結構的半導體中的撓曲電電子學效應,也將壓電電子學的研究從壓電半導體(非中心對稱的第三代半導體)拓展到了具有中心對稱結構的(第一代和第二代)半導體中;同時使關于撓曲電效應從絕緣體到半導體的研究得到了進一步的發展,尤其是將撓曲電效應應用于半導體電子學方面的研究,極大地促進了基于半導體的撓曲電技術的研究和發展 (2)。相關研究成果以“Flexoelectronics of centrosymmetric semiconductors”為題發表在期刊Nature Nanotechnology (https://www.nature.com/articles/s41565-020-0700-y)  

1. 具有中心對稱結構的半導體中的撓曲電電子學的機理。    

2. 撓曲電電子學及相關領域的展望 

  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). 

評 論
 
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