热门:王中林和秦勇：挠曲电电子学

本篇文章3564字，读完约9分钟

原始长光所light中心中国光学

宣传(商业以外)

封面来源: pixabay

写作|鲜辉(中国科学院物机构所)

01

里德

最近，王中林院士与秦勇教授团队合作，在基于中心对称结构的第一代半导体-金属界面工程研究方面取得了突破性进展，成功地对si―金属等中心对称结构半导体器件实现了cmos栅极电压控制电子传输这样的界面控制

作者首次从实验和理论上说明了中心对称半导体中挠曲电效应的存在，利用该效果通过控制中心对称半导体—金属界面材料的肖特基势垒高度来控制界面电子—载流子的传输工作。

该研究从实验出发，结合理论仿真分析，详细阐述了具有中心对称结构的半导体中的弯曲电效应，开展了弯曲电效应在半导体行业的研究，特别是应用于半导体-金属界面工程的研究，电子/光电子学、新闻传感

02

研究背景

界面工程在电子/光电子学、传感、人机界面、人工智能等行业也同样具有广阔的应用前景，同时取得了很大的进展。 例如基于压电效应、热电效应、铁电效应的界面控制得到了研究者的广泛关注和研究。 但是，这些效果只存在于略微不对称的半导体材料中，在第一代和第二代半导体，例如si、ge、gaas等材料中的应用大幅度受到限制。 因此，在具有中心对称结构的半导体中引入同样的界面控制效果具有重要的价值和意义。

弯曲电效应又称弯曲电效应，是mashkevich和tolpygo在20世纪60年代首次提出的。 这种效果是应变梯度诱导的电极化现象，材料因不均匀的应变激励而发生局部极化(正负电荷中心的分离)，产生极化电场(极化电位)。

弯曲电效应与众所周知的压电效应同样是力电耦合效应，但前者与是否存在zno这样的非对称晶体结构无关，存在于大部分电介质材料中是不同的。

年，pradeep sharma教授及其合作者在非压电类二维材料上因弯曲电效应发现了异常的压电性。 图1显示了不同状态条件(形状纳米孔的有无/形状)下非压电材料因不均匀应力而极化的情况。

图1 .非压电材料为不均匀应力时的极化情况

图片来源: NAT commun 5，4284 ( ) ( fig5)

年杨精明和marin alexe向science发表了副本，对具有中心对称性的材料采用弯曲电效应用人工方法引入了对称性的破裂，导致了本来不可能的体积光伏效应。 其核心是通过应变梯度人工引入非中心对称性和电极化，可以直观地产生和增强弯曲变形衍生物的光伏效应。 图2显示了在中心对称srtio3和tio2单晶样品上构建的力电耦合装置以及应力负荷时感应的体光伏效应的特征。

图2 .中心对称srtio3和tio2单晶应力梯度诱导的体光伏效应

图像来源: science 25 may :vol. 360，issue 6391，pp. 904-907(fig1)

两项研究都有力地证实了挠曲电效应在中心对称结构材料中的存在和相关应用。

那么，存在中心对称的半导体是否也有挠曲电效应，或者能否利用该效应应用于金属半导体的界面工程控制的问题。 即，如上所述的栅极电压控制cmos装置的效果。 本文后述的文案“中心对称半导体的挠曲电子学”深入回答了这个问题。

作者采用实验和理论模拟相结合的分解方法，说明了中心对称结构半导体中挠曲电效应的存在。 另外，作者利用弯曲电效应成功地控制和应用了金属半导体界面工程。 进而，作者前期提出，建立了压电电子学的概念和理论，大胆创新地提出了弯曲电子学的新概念。

03

创新研究

. 1

对称性半导体中的挠曲电效应

图3 .中心对称半导体中弯曲电行为的实验和理论分析

图像演出: nat. nanotechnol. ()(fig. 5 )

为了说明中心对称半导体，特别是第一代半导体si等是否具有弯曲电效应，研究小组构建了基于原子探针平台的力电耦合实验平台(如图2a的示意图所示)。 。 通过严密的实验数据和理论仿真分析表明，si等半导体确实有应力梯度引起的挠曲电效应。

如图3所示，原子力探针对半导体表面施加梯度应力，作用挠曲电场的方向、材料因不均匀应力而变形引起的电极化，即产生挠曲电场的原理、实验结果和理论模拟分析。 实验和理论分析结果确认了中心对称半导体中存在挠曲电效应。 另外，作者进一步验证了tio2、nsto等半导体中的弯曲电效应，进一步证实了弯曲电效应普遍存在于中心对称半导体中。

. 2

弯曲电效应控制金属-半导体界面工艺

弯曲电效应是不均匀变形(应变梯度)和电极化之间的双向耦合，存在于大部分介质材料中。 那么，像cmos中的栅极电压那样，能否利用挠曲电效应在金属半导体上应用界面工程学呢？

基于以上考虑，小组制造了金属-半导体器件，在力电耦合的原子力探针平台上进行了实验(如图4i所示)。 。 结合实验得到的数据观察、理论模拟和作者基于传统压电效应控制金属-半导体界面的实验和理论分解经验，作者成功实现了这一设想(给出了图4b、c图的理论和实验分解结果)。 。

由图4i右侧的示意图可知，由弯曲电效应产生的局部极化电荷(或由此产生的弯曲电位)对界面中的自由载流子的浓度和分布产生实质性的影响，比较有效地调节界面或接合区域的肖特基势垒的高度和宽度 挠曲电效应利用内部界面控制代替cmos的外部沟道控制即栅极电压控制，创新地利用机械信号直接产生栅极电压控制信号。

图4 .弯曲电场控制金属-半导体界面载流子传输实验与理论分解

图像演出: nat. nanotechnol. ()(fig. 1 )

. 3

压电电子学激发的挠曲电子学

弯曲电效应作为特殊的力电耦合效应，具有不受材料对称性限制、不受材料居里温度限制、不受材料尺寸限制等优点，因此可适用于任何种类的无机半导体材料。 这是因为向第一代和第二代半导体例如si、ge、gaas等宣传弯曲电效应的应用具有重要的意义和广阔的应用前景。

通过上述实验和理论研究的分解可知，其原理与压电电子学的原理相似，均以金属-半导体界面附近的电极化电荷(极化电位)为栅极电压，比较有效地控制界面肖特基势垒，控制了界面上的载流子的输送特性( ) 。

有兴趣的是压电效应是材料表界面极化，弯曲电效应是材料表界面乃至体极化。 用数学方法记述两者的对应关系，就可以简单地记述为微分和积分的关系。 在此基础上，作者提出了以压电电子学概念为中心的弯曲电学和半导体结合作用下的新物理概念——弯曲电子学(图5 )。 。

图5 .弯曲电工电子学的概念及其潜在应用行业

图像来源: device &； materials engineering

04

应用与展望

综上所述，作者研究了中心对称半导体中挠曲电效应的存在及其在金属半导体界面工程中的应用。 同时作者进一步验证了该效应在中心对称半导体材料中的普遍性。 由于这一效果的普遍性，作者认为这一特征在电子/光电子学、机械新闻存储、太阳能技术、自旋混合电子等行业中发挥了重要的意义。

05

通信作者介绍

王中林院士

王中林，国际顶尖纳米科学家，能源技术专家，中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，台湾中研究院士，佐治亚理工大学终身教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长，西安电子科学技术

主要研究行业包括纳米材料科学的理论和应用研究，如纳米材料的可控增长、特征和应用、纳米能源技术和自驱动纳米系统技术、压电电子学和压电光学电子学等。

秦勇教授

秦勇，博士生导师，兰州大学纳米科学技术研究所所长。

主要的研究行业有基于材料压电性能的纳米发电机、纳米热电转换技术、纳米光电转换技术、功能纳米器件、自供给纳米系统等。

新闻副本:

相关成果以“flexoelectronicsofcentrosymmetricsemiconductors”为题发表了nature nanotechnology期刊。

论文地址:

doi/10.1038/s41565-020-0700-y

【】

公众号的时间轴已经改版，很多网民的反馈没有看到更新的副本。 根据最新规则，建议:多次进入“中国光学”公众号，阅览3-5份复印件，成为“常读”的顾客，即可领取。

欢迎来到课题组的送达成果推广原稿

转载/合作/课题组的投稿请添加微信: 447882024

燃烧器区域

过去的推荐

进入新书

开放帖子: light :高级制造

issn 2689-9620

期刊网站: light-am

请期待。

新书: elight

issn 2662-8643

不久就要在隆重上线了

这是中国光学发表的第1341篇，如果你觉得有用的话，转发WeChat的力矩对我们来说是最大的同意。

【长春光机所·light学术出版中心-期刊导航】

原标题:“王中林和秦勇:挠电电子”

阅读原文。