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        【Nano Energy】压电电子学石墨烯可变势垒晶体管:高效-交互式调控肖特基势垒
        发表日期: 2018-06-21 文章来源:
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          非中心对称晶体在外界应力作用下可产生压电势。该压电势将外界应力和多种电学器件联系起来,成功应用于基于场效应晶体管的应力传感器、非易失性存储器、机电忆阻器、光电二极管和高分辨率压力传感阵列等,受到了科研人员的广泛关注。同时,源于纤锌矿结构低维半导体材料的压电势可用于调制金属-半导体接触界面和P-N结区的载流子输运特性,即压电电子学器件。根据施加应变大小和方向的不同,金属-半导体接触界面的电学特性会有相应的改变。但是采用传统金属作为电极时,受金属电极功函数不可调的限制,压电势只能通过改变半导体的能带结构来实现对金属-半导体接触界面的调制,这在一定程度上限制了压电势的调制效率。因此,为了获得更为高效实用的压电电子学器件,急需选择合适的材料或构建新型器件结构来实现压电势对界面和结区传输特性的高效调控。 

          2004年石墨烯第一次真正意义上得到以来,其优异电学、光学、热传输和机械特性吸引了越来越多的关注。特别是单层石墨烯能带在狄拉克点附近的线性色散关系导致了其功函数很容易受外界电场的调制。当石墨烯与半导体材料相接触时,调节其功函数可以有效调节接触肖特基势垒的高度。如果能将压电势耦合到石墨烯-半导体接触界面上,通过同时调节半导体能带结构和石墨烯功函数,就有可能获得一种高效的压电势调制半导体器件。解决该问题的关键就落到了利用何种途径来对压电势和相应器件进行耦合。 

          近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员与韩国成均馆大学Jeong Ho Cho教授课题组合作提出了一种利用压电势来调制石墨烯-铟镓锌氧化物异质结(graphene-IGZO heterostructure)之间肖特基势垒的有效方法,即压电电子学石墨烯可变势垒晶体管。基于电容耦合的原理,该工作利用离子凝胶将压电材料(P(VDF-TrFE))与石墨烯可变势垒晶体管耦合到一起,利用不同应变下压电势的变化实现了对石墨烯-半导体界面接触特性的高效调制。得益于离子凝胶双电层中的超高电容,该工作首次利用开尔文探针显微镜观测到了基于P(VDF-TrFE)压电势栅压对石墨烯功函数的有效调控(可高达0.89 eV)。作用于P(VDF-TrFE)压电纳米发电机的外界应力可导致石墨烯功函数的变化,并使获得的石墨烯-铟镓锌氧化物-氧化铟锡(graphene-IGZO-ITO)垂直结构器件的电流密度达到10.5 A/cm-2,有效提高了器件开关比约三个数量级。多次动态交互测试表明这种调控是稳定可重复的。除此之外,利用离子凝胶将两个不同的压电纳米发电机与石墨烯相连,可实现对结区肖特基势垒的多级可控调节。该工作提出的利用压电势对石墨烯费米能级调控的方法为压电电子学的发展提供了一个新思路,有极大潜力应用于未来微传感系统、换能器、人机交互界面和物联网等领域。该研究成果近期发表于最新一期Nano Energy上(Piezotronic graphene barristor: Efficient and interactive modulation of Schottky barrier. Nano Energy , 2018, 50, 598)。 

        1. (a KPFM测试结构示意图。(b)不同应变条件下利用KPFM测得的石墨烯表面势。(c)(d)源于P(VDF-TrFE)压电势等效于外场栅压

        图2. (a) 压电电子学石墨烯可变势垒晶体管的加工示意图。(b) 器件结构的侧视图。(c-d) 不同应变条件、栅极电压下器件的电流密度。(e) 当压电发电机弯曲速度为0.3 mm/s时,器件电流密度随时间的演化规律。 

        图3. 压电势通过离子凝胶电容耦合调控graphene-IGZO异质结肖特基势垒的能带图。 

        图4. (a) (b) (c)通过热电子发射机理计算出应力调控下的肖特基势垒变化。(d) (e) (f)对比外加栅压调控下的肖特基势垒变化,压电势和栅压调控基本一致。 

        5. 外界应力实时多级调控石墨烯功函数及相应的可变势垒晶体管的电流密度变化。

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