从21世纪开始，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴的电子科技发展迅速，同时全球能源和环境危机突出，能源利用趋向低功耗和精细管理，传统的第一、二代半导体材料由于自身的性能限制已经无法满足科技的需求。另一方面，集成电路产业遵循的“摩尔定律”演进趋缓，以新材料、新结构以及新工艺为特征的“超越摩尔定律”成为产业新的发展方向。具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力特点的第三代半导体材料应运而生，其在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点，有望突破前两代半导体材料应用技术的发展瓶颈，市场应用潜力巨大。
新兴电子科技致力于实现更直接的多样性和多功能性的人机交互。传统的人机交互方法往往是利用传感器探测机械应变的变化，再利用电子设备实现对信号的监测和记录。在该过程中，机械信号没有进一步用来控制电子器件，是一种被动式交互方法。在第三代半导体材料的研究热潮中，北京纳米能源与系统研究所的王中林院士对其中广泛存在的纤锌矿结构材料的压电效应进行了深入研究，并于2006年利用氧化锌纳米线的压电性质调控自身载流子输运特性而首次提出了压电电子学的概念。该理念打破了传统的机械信号与电子设备的结合方式，实现了机械信号对电子器件性能的直接控制，为主动式人机交互模式提供了新思路。
此后，以压电电子学为基础的半导体器件层出不穷，如压电机电传感器、机电开关、压电增强的光探测器、化学/生物传感器、非易失性存储器等。基于化学掺杂、能带结构工程以及外部环境条件（温度、湿度、外部电场等）的压电器件也得到广泛的研究。然而，这些研究在微电子技术方面缺乏有效的方式与压电器件集成，一种简单、可控、安全且低功耗的方法亟待开发。近日，北京纳米能源与系统研究所的孙其君研究员和王中林院士团队利用超高电容、柔性栅介电层——离子凝胶，在柔性衬底上将压电界面调控与低栅压沟道调控耦合起来，为此提出了一种思路并实现了进一步增强的压电电子学器件。
离子凝胶是一种非挥发性离子液体和聚合物的混合物。当离子凝胶与半导体界面接触，在电场作用下，凝胶中的离子与半导体中的载流子向二者界面聚集，形成约1 nm厚的双电层（Electric double layers, EDLs）。该双电层如同一个1 nm间隙的电容器，因此施加极低电压即可在凝胶与半导体界面处产生超高电场，从而有效控制半导体界面处的载流子浓度。基于离子凝胶的这一特性及其特有的柔韧性，孙其君团队利用光刻工艺将离子凝胶包覆在氧化锌纳米线沟道处，实现了应变与低门极电压对氧化锌纳米线器件载流子传输性能的耦合调控。
在器件工作过程中，他们发现由于负栅压耗尽载流子（电子），电子对器件应变状态下产生的压电极化电荷的屏蔽作用被削弱，因此器件可表现出更显著的压电调控特性。将这一特性应用于压电逻辑器件中可使该器件的性能实现大于2倍的提高。该方法为更加复杂的实用化压电电子学器件阵列的有效调控和设计提供了可行性指导。
这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是北京纳米能源与系统研究所的博士研究生杨茜茜和博士后胡国锋。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Coupled Ion‐Gel Channel‐Width Gating and Piezotronic Interface Gating in ZnO Nanowire Devices
Xixi Yang, Guofeng Hu, Guoyun Gao, Xuanyu Chen, Caofeng Pan, Qijun Sun, Zhong Lin Wang
Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807837
孙其君研究员介绍
孙其君，博士生导师；2013年获得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研究所；在国际知名杂志（Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano 等）发表论文30余篇，多次参加重要国际会议并作邀请报告；北京市海外高层次人才计划和中科院百人计划。
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、自充电能源包等领域开展基础和应用基础研究。
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
