中科院纳米能源所首次提出摩擦电子学新研究领域

最近，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组将摩擦纳米发电机与传统场效应晶体管相结合，研制出接触起电场效应晶体管，首次提出了摩擦电子学（Tribotronics）这一新的研究领域。相关研究成果于8月16日在线发表于ACS Nano（DOI: 10.1021/nn5039806）。

场效应晶体管的核心技术是利用门电压来控制元件中的电流输运过程，广泛应用于集成电路和柔性电子学领域。虽然场效应晶体管技术十分成熟，但需要外部提供门电压，并且以此为基础的传感器缺乏与外界环境直接作用交互的机制。近年来，王中林院士研究团队发明的摩擦纳米发电机提供了一种将机械能转化为电能的有效途径，其原理基于接触起电和静电感应现象，能够使两层具有相反摩擦电极性的薄膜之间产生电荷转移并形成电势差。该电势差作为由外部机械能产生的内部电信号，可以取代传统场效应晶体管的门电压，用于调控半导体中载流子的输运特性。

由张弛博士和唐伟博士等组成的主力团队，在王中林院士的指导下，利用摩擦纳米发电机和金属-氧化物-半导体场效应晶体管的耦合特性，研制了外力触控的接触起电场效应晶体管。该器件可在外力作用下使门极材料产生接触起电，形成静电势作为门极信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。实验结果表明，在5V源漏电压输入下，当摩擦材料从接触起电至分离80微米的过程中，漏极电流在耗尽模式下从13.4微安减小至1.9微安，在增强模式下从2.4微安增大至12.1微安，成功地实现了外力对电流大小的调控。由于摩擦纳米发电机能够产生比压电纳米发电机更高的输出电压，及其与半导体效应的耦合，使得接触起电场效应晶体管相比压电电子学晶体管具有更宽的外力传感范围和更多的材料选择，能够更广泛的应用于人机交互、传感器、MEMS、纳米机器人及柔性电子学等领域。

接触起电场效应晶体管的成功研制，首次实现了利用摩擦产生的静电势作为门极信号来调控半导体中载流子输运特性的目的。同时作为一种基础器件，还可以衍生出一系列能够实现各种功能的人机交互器件，由此将开辟出全新的摩擦电子学领域。摩擦电子学耦合了摩擦起电效应和半导体特性，是摩擦纳米发电机的全新应用。同时，作为由机械输入调控载流子输运的另一种全新方式，将同压电电子学一起，为人机交互智能界面的发展提供重要基础。随着光激发性质的引入，还将进一步产生摩擦光子学、摩擦光电子学等期待探索的新兴领域，并将在材料、机电、信息、自动化、环境、化学、生物医学等学科衍生出很多重要的研究方向和潜在应用。

图1：(a) 接触起电场效应晶体管结构示意图，(b, c) 器件顶视图及剖面图

图2：摩擦电、半导体和光激发效应三元耦合示意图及潜在的研究和应用