Adv. Mater. :高分辨觸覺成像用超靈敏二維ZnO壓電子晶體管陣列

【引言】

拋開人們在集成電路沿著摩爾定律發展中的工作不說，現在人們把越來越多的努力投入到將多功能微納器件轉化為大規模多功能微納系統技術研究中，其在環境、人類健康監測、人機界面交互技術等諸多領域有重要應用。人們努力的方向之一就是在未來能夠開發一種能夠傳感壓力應變的高集成復雜系統。多功能納米器件，比如集成電路和傳統的金屬氧化物場效應晶體管，針對這個問題做了很多努力。基于集成電路和傳統晶體管制備的傳感壓力應變系統，由于電信號與力信號聯系不直接等問題，存在靈敏度低、分辨率低等缺陷。壓力電子器件由于可以將機器和人或外界環境直接聯系起來，有望實現人類的這一目標。但是壓力電子器件的靈敏度和集成化的問題是現在厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自中科院北京納米能源與系統研究所王中林（通訊作者）和西安電子科技大學秦勇等人制備出了一種新的二維壓電子晶體管，其擁有迄今為止最高的靈敏度，并開發了一種二維壓電晶體管陣列器件，該器件擁有超高的空間分辨率。

他們開發了一種較小頂面的六方氧化鋅納米片材料，長寬比大約為0.42，基于這種的幾何構造，納米片受到外力的壓曲效應可以忽略，從而可以保證基于該材料的壓電子晶體管的靈敏度。而且，他們也設計了一種新的二維壓電子晶體管，具有三明治結構，氧化鋅納米片在鈀催化電極和重摻雜的n型硅電極之間。他們所制備的壓電子晶體管具有超高的壓力應變靈敏度，高達60.97–78.23 meV MPa^?1，是其他納米線材料壓電子晶體管的90-116倍，比已報道的納米線束壓電子晶體管靈敏度高兩倍多。他們還將氧化鋅納米片開發成有序的納米片陣列，基于此的壓電子設備，擁有超高的分辨率。

氧化鋅納米片陣列，作為一種有源的傳感器，可以直接將力信號轉化成電信號，不需要施加觸發電壓。氧化鋅納米片陣列憑借其的巨大優勢，可以成為壓電子領域重要組成部分。他們制備的氧化鋅納米片陣列，為開發大規模、集成晶體管系統開了一扇窗。他們工作也推動了壓電子材料在人機交互技術、智能傳感器、處理器等領域的應用。

【圖文導讀】

圖1? 氧化鋅納米片的設計、制備、性能表征

（a）沒有外力（左邊）或者有外力（右邊）條件下，直立壓電子微納材料的壓曲效應示意圖。h和r₀分別代表壓電子微納材料的高度和半徑。Dmax代表的橫向撓曲最大彎曲度。

（b）恒定壓力下，不同偏移量的直立壓電子微納材料橫向撓曲最大彎曲度Dmax和縱橫比平方(Δl/2r₀)²的線性關系理論計算結果。

（c）在5MPa的壓力條件下，偏移量為80%的納米線的彎曲分布理論模擬結果，模擬方法為有限元分析法。計算所用的長度為5μm。

（d）氧化鋅納米片的AFM形貌圖，插圖：AFM行高軌道。

（e）不同頻率下氧化鋅的壓電系數d₃₃。

圖2? 二維壓電子晶體管的設計

（a）二維雙端氧化鋅壓電子晶體管（2DPT）的示意圖。晶體管中氧化鋅納米片沿著c軸整齊排列（紅色箭頭）。

（b）2DPT設備的能帶圖，用來解釋壓電行為。

（c）2DPT設備中通過應變，在相反的漏偏壓條件下，對載流子運輸的調制，其顯示的是壓電子效應的特征。插圖是恒定0.02MPa壓力下，實驗測量的I-V曲線。

（d）反向偏壓條件下，電流與半對數電壓關系曲線圖。

（e）計算的SBH與所加壓力關系曲線圖。

圖2? 2DPT設備不同壓力條件下的電流響應

（a）在恒定電壓條件下，2DBT設備中的電流隨著所加壓力的增大，一步步增大。

（b）Ln（I）與P的關系曲線，其顯示的是Ln（I）和所加壓力的線性關系。

（c）電流對壓力脈沖信號的響應。

（e）100到125s時間范圍內，壓力變化引起電流變化的時間響應。

圖2? 2DPT陣列設備的觸覺成像

（a）2DPT陣列材料的示意圖。

（b）擁有高分辨率的2DPT陣列的掃描電子顯微圖。

（c）時間域中的電導測量結果。

（e）3 × 4壓敏陣列對微小觸摸映射圖像和相應的電流信號響應的二維剖面圖，該剖面圖是通過繪制像素信號得到的。“編碼-解碼”過程將輸入的壓力信號轉化為相應的電信號輸出。

【小結】

他們制備出了擁有極高靈敏度的二維氧化鋅納米片壓電子晶體管和很高分辨率的二維氧化鋅納米片陣列，大大推動了壓電子材料的發展，促進了壓電子材料在人機交互技術、智能傳感器、處理器等領域的應用。

文獻鏈接：Ultrasensitive 2D ZnO Piezotronic Transistor Array for High Resolution Tactile Imaging（Advanced Materials,2017, DOI/10.1002/adma.201606346/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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