納米能源所首次提出摩擦電子學新研究領域

　　最近，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士領導的研究小組將摩擦納米發電機與傳統場效應晶體管相結合，研制出接觸起電場效應晶體管，首次提出了摩擦電子學（Tribotronics）這一新的研究領域。相關研究成果于8月16日在線發表于ACS Nano（DOI: 10.1021/nn5039806）。

　　場效應晶體管的核心技術是利用門電壓來控制元件中的電流輸運過程，廣泛應用于集成電路和柔性電子學領域。雖然場效應晶體管技術十分成熟，但需要外部提供門電壓，并且以此為基礎的傳感器缺乏與外界環境直接作用交互的機制。近年來，王中林院士研究團隊發明的摩擦納米發電機提供了一種將機械能轉化為電能的有效途徑，其原理基于接觸起電和靜電感應現象，能夠使兩層具有相反摩擦電極性的薄膜之間產生電荷轉移并形成電勢差。該電勢差作為由外部機械能產生的內部電信號，可以取代傳統場效應晶體管的門電壓，用于調控半導體中載流子的輸運特性。

　　由張弛博士和唐偉博士等組成的主力團隊，在王中林院士的指導下，利用摩擦納米發電機和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管的耦合特性，研制了外力觸控的接觸起電場效應晶體管。該器件可在外力作用下使門極材料產生接觸起電，形成靜電勢作為門極信號，實現對半導體中載流子輸運特性的調控。實驗結果表明，在5V源漏電壓輸入下，當摩擦材料從接觸起電至分離80微米的過程中，漏極電流在耗盡模式下從13.4微安減小至1.9微安，在增強模式下從2.4微安增大至12.1微安，成功地實現了外力對電流大小的調控。由于摩擦納米發電機能夠產生比壓電納米發電機更高的輸出電壓，及其與半導體效應的耦合，使得接觸起電場效應晶體管相比壓電電子學晶體管具有更寬的外力傳感范圍和更多的材料選擇，能夠更廣泛的應用于人機交互、傳感器、MEMS、納米機器人及柔性電子學等領域。

　　接觸起電場效應晶體管的成功研制，首次實現了利用摩擦產生的靜電勢作為門極信號來調控半導體中載流子輸運特性的目的。同時作為一種基礎器件，還可以衍生出一系列能夠實現各種功能的人機交互器件，由此將開辟出全新的摩擦電子學領域。摩擦電子學耦合了摩擦起電效應和半導體特性，是摩擦納米發電機的全新應用。同時，作為由機械輸入調控載流子輸運的另一種全新方式，將同壓電電子學一起，為人機交互智能界面的發展提供重要基礎。隨著光激發性質的引入，還將進一步產生摩擦光子學、摩擦光電子學等期待探索的新興領域，并將在材料、機電、信息、自動化、環境、化學、生物醫學等學科衍生出很多重要的研究方向和潛在應用。

圖1：(a) 接觸起電場效應晶體管結構示意圖，(b, c) 器件頂視圖及剖面圖

圖2：摩擦電、半導體和光激發效應三元耦合示意圖及潛在的研究和應用