二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管研究獲進展

　　兩種不同材料接觸分離可產生靜電荷并引發一個摩擦靜電場，該摩擦電場可以驅動自由電子在外部負載流通，得到脈沖輸出信號。一方面，摩擦納米發電機 (TENG) 就是利用了這種脈沖信號實現了將外部環境機械能轉換成電能，近期在許多領域實現了許多突破性進展，包括從多種機械運動獲取能源、自驅動機械感應系統、高靈敏質譜分析以及常壓下機械觸發的等離子體等。另一方面，當TENG產生的靜電場與電容性器件耦合時 (例如，場效應晶體管)，半導體溝道中載流子的傳輸特性可以被摩擦電勢有效調制，也就是摩擦電子學晶體管（tribotronic transistor）。為了開發更高性能主動式摩擦電子學晶體管，針對TENG與半導體器件耦合的基礎物性研究和相關工藝工程迫切地需要更深入的探索。利用雙柵結構電容耦合，使二硫化鉬 (MoS2) 摩擦電子學晶體管電流開關比超過六個數量級 (106)。平面設計以及利用直接接觸模式，同樣簡化了石墨烯摩擦電子學機械傳感器件。然而，鑒于之前復雜的加工工藝和較為普通的電學性能，摩擦電子學仍有巨大的研究空間。

　　近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫其君和王中林研究團隊基于摩擦電子學的原理，制備了一種新型的二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管 (triboiontronic transistor)，該器件通過工作在接觸分離模式下的TENG產生的摩擦電勢與離子調控的二硫化鉬晶體管耦合，連接了摩擦電勢調制特性以及離子調控的半導體特性。摩擦電勢在離子凝膠和二硫化鉬半導體界面處可誘導形成超高的雙電層電容，可高效率調制溝道中載流子傳輸性能。不需要額外柵壓，二硫化鉬摩擦離子電子學晶體管可主動式操控，器件表現低的閾值 (75 um) 和陡峭的開關特性 (20 um/dec)。通過預設耦合與晶體管的摩擦電勢的初始值，摩擦離子電子學晶體管可以操作在兩個工作模式下，增強模式和耗盡模式，實現更高的電流開關比 (107) 以及超低的關態電流 (0.1 pA)。文章展示了二硫化鉬摩擦離子電子學反相器，反相器對應增益 (8.3 V/mm)，并且具有較低的功耗以及優異的穩定性。這項工作展現了一個通過外部機械指令來高效率調制二維材料半導體器件以及邏輯電路的低功耗主動式以及普適的方法，在人機交互、電子皮膚、智能傳感以及其他可穿戴器件等領域有巨大的應用前景。該研究成果以Triboiontronic Transistor of MoS2 為題發表于近期的《先進材料》（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201806905）上。