近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员与研究团队在基于二硫化钼的摩擦离子电子效应晶体管中取得新进展，相关研究成果发表在Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.201806905）

        近来，摩擦纳米发电机(TENGs)在诸如将机械能充分转化为电能、自驱动传感器、高灵敏度质谱分析、大气压力条件下机械运动触发等离子体在内的很多领域取得重要进展，当TENG产生的静电场与电容器件(如场效应晶体管field effect transistors, FETs)耦合时，通过摩擦电势的场效应而不是脉冲输出来调制费米能级和传输特性。摩擦电势与半导体器件之间的耦合作用产生了摩擦电子学研究领域，为了开发适应性强、高性能的摩擦电子器件，人们在基础研究和工程应用领域均做了很多努力。

        利用电解液介电层，离子在栅电压驱动下可以快速移动并在电解质/半导体界面聚集以补偿沟道中累积的载流子，从而形成双电层结构(Electric Double Layer，EDL)，双电层结构在1nm的间隙下几乎承受了全部的外栅电压降，因此它可以产生超大的电场从而有效地控制半导体通道中的载流子密度。这种离子调控的双电层晶体管在低功耗晶体管、基础物理研究、生物/化学传感器和人工突触中具有良好的应用前景。另外，该双电层也代表了离子和电子的相互作用，也衍生了一个通过离子迁移传输和重新排布控制电子特性的交叉学科研究领域，即离子电子学。基于以上背景，该研究团队提出了一种基于二硫化钼(MoS₂)的摩擦离子电子效应晶体管，用于建立摩擦电势调制和离子共同控制的半导体器件，摩擦电势在离子凝胶和二硫化钼半导体界面处可诱导形成超高的双电层电容，可高效率调制沟道中载流子传输性能。不需要额外栅压，从而实现对半导体通道中载流子的高效控制。在没有额外栅压的情况下,二硫化钼晶体管在主动模式下具有低阈值（75μm）和陡峭开关（20μm/dec）的优良特性。通过预置耦合到晶体管上的初始摩擦电势，摩擦离子电子学晶体管可以在耗尽模式、增强模式下工作，表现出高达10⁷的电流开/关比和低于0.1pA的截止电流。这项工作展现了一个通过外部机械指令来高效调制二维材料半导体的器件以及逻辑电路的低功耗、主动式及普适的方法，在人机交互、电子皮肤、智能传感以及可穿戴器件领域有很大的应用前景。

图文导读：

图1 . (a) 摩擦电势诱导形成双电层结构的过程示意图，以及相应的电荷分布。(b) 一个接触-分离-接触循环的转移电荷的量化。(c) 离子凝胶MIM结构下不同频率的比电容。(d) 离子调控的二硫化钼晶体管的C-V曲线。

图2. (a) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管器件的示意图。(b)离子调控的二硫化钼晶体管典型的输出特性曲线。(c) 离子调控的二硫化钼晶体管对应的转移特性曲线。(d) 增强模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的工作状态示意图以及对应的等效电路图。(e) 增强模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的输出特性曲线以及转移特性曲线(f)。

图3. (a-c) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管的工作机制以及三个状态下的能带示意图(增强模式，平带，耗尽模式)。(d)两个工作模式下的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管输出特性曲线以及对应的转移特性曲线(e)，电流开关比超过七个数量级。(f)对应肖特基势垒高度随摩擦距离的变化，插图是对应能带解释。(g-i) 二硫化钼摩擦离子电子学晶体管实时测试性能。

图4. (a) 二硫化钼摩擦离子电子学逻辑器件电路示意图。(b) 离子调控的二硫化钼反相器典型的电压转移特性曲线以及对应的电压增益。(c) 该反相器噪声容限。(d) 二硫化钼摩擦离子电子学反相器工作原理以及操作流程。(e) 二硫化钼摩擦离子电子学反相器实时测试。(f) 器件对应的转移特性曲线以及增益。(g) 器件循环稳定性测试。

图5. 摩擦离子电子学晶体管以及相关领域展望

本课题得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院百人计划、天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室经费支持。