我國利用壓電材料實現對MoS2場效應晶體管動、靜態調控

　　自2004年Geim等人第一次在實驗室得到單層石墨烯以來，二維材料的出現為傳感器領域的進一步發展提供了可能，相對于傳統的三維材料，二維材料的層狀結構決定了其器件厚度可以達到單原子層，為實現更輕、更薄、體積更小的電子器件提供了可能。相較于其他二維材料，以單層二硫化鉬 (MoS2) 為代表的二維半導體TMDs材料由于其優異的半導體性能（高開關比、遷移率）、合適的帶隙寬度、高穩定性等特點使其在電子器件應用中展現出優勢。除此之外，二硫化鉬所具有的良好的電學、光學、機械性能以及異乎尋常的比表面積都為其在傳感器應用領域鋪平了道路。單層二硫化鉬具有1.8 eV的帶隙，理論計算表明在室溫下遷移率和電流開關比分別可達到約410 cm2/Vs和109，為其場效應晶體管器件應用于多功能集成電路系統提供了可能。盡管二硫化鉬本身具有眾多優異的性能，滿足未來傳感器件在微型化、易于集成、輕薄等方面的需求，但是受制于其本身的壓阻、壓電效應都不明顯，若利用簡單的兩端器件作為應力傳感器，其靈敏度低是不可忽略的事實，因此選用能與二硫化鉬場效應晶體管性能相匹配的材料以實現其傳感功能至關重要。

圖1. （a）壓電駐極體材料調控二硫化鉬場效應晶體管的結構示意圖； （b）不同彎曲情況下二硫化鉬熒光特性的變化。

　　壓電材料作為一種可以直接將外界力學信號轉化成電學信號的材料，與場效應晶體管相結合可以實現外界應力對器件輸運特性的調控。近日，北京納米能源與系統研究所孫其君研究員、王中林院士以及物理所張廣宇研究員的研究團隊利用駐極體材料與二硫化鉬場效應晶體管的結合實現了對器件的靜態/動態雙調控。趙靜博士等研究人員利用駐極體材料（聚偏二氟乙烯-三氟乙烯，PVDF-TrFE）的壓電-駐極體特性，作為柵極分別實現在不同極化電壓、應變情況下對單層二硫化鉬場效應晶體管的靜態、動態調控，得到具有高靈敏度、快速響應時間、長壽命的應力傳感器。相較于其他基于場效應晶體管的傳感器件，這種利用壓電材料本身在應力作用下可直接提供柵極電壓的特性，器件工作過程中無需外接柵極電源，從而實現了應力對器件的直接驅動，有效降低了能耗，也為將來無源器件的發展提供了新的思路，同時為其后續在觸摸屏、人造電子皮膚等領域的應用提供了可能。

　　相關研究成果以“Static and Dynamic Piezo-potential Modulation in Piezo-electret Gated MoS2 Field Effect Transistor”為題發表在ACS nano上（DOI:10.1021/acsnano.8b07477）。該項工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金等經費的支持。