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北京纳米能源所研究员潘曹峰到理化所作报告,

2019-11-21 作者:国际学校   |   浏览(64)

  8月18日,综合科学类权威学术期刊《纳米能源》在线发表了物理学院和光电国家实验室双聘教授高义华博士与合作者在应力门控晶体管方面的最新研究成果《基于金颗粒修饰的单根氧化锌微米线的力电和力电光逻辑运算》,物理学院博士生李海霞为第一作者,高义华为通讯作者,刘逆霜副教授为共同通讯作者。

王中林小组制备出高性能传感器
论文发表于《美国化学会纳米》和《能源与环境科学》

由于短沟道效应,Sub-5 nm硅基场效应晶体管的制造是非常困难的。随着沟道长度的减小,CMOS器件不仅受到小尺寸的制造技术的限制,而且还受到一些基本的物理学原理如漏电场、电介质的击穿等限制。为了突破5纳米节点晶体管的限制,研究人员探索研究了基于碳纳米管、半导体纳米线以及二维过渡金属化合物等材料的场效应晶体管,但这些器件的工作仍然依赖于外部栅极电压的调控机制。如果这种情况不能继续下去,这可能意味着摩尔定律的终结。

乐白家手机客户端 ,应“理化青年论坛”、理化所青促会和中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室邀请,中科院北京纳米能源与系统研究所研究员潘曹峰于9月22日上午来理化所访问,并作了题为“基于压电光电子学效应的ZnO纳米线阵列应力传感与成像系统研究”的报告。

  由于压电和半导体性能的耦合性质,压电半导体纳米/微米线已被作为基本单元来构造多种新器件,如纳米发电机、压电场效应晶体管以及压电光电子学器件等。在这些器件中,如何利用压电势代替门电极电压来调控纳米线中载流子的传输行为,如何有效利用压电效应与半导体光电性能的耦合,实现高性能压电-光电器件,成为了学术界的难点问题。

美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)和中科院纳米能源与系统研究所王中林教授领导的研究小组最近利用压电电子学效应对肖特基结纳米线传感器进行调节,制备出高性能传感器——pH传感器和蛋白质传感器。纳米线传感器在纳米系统和人们日常生活中有很大的应用前景。传统的纳米线化学传感器主要是基于两端欧姆的纳米线,通过目标分子在纳米线表面吸附引起的纳米线电阻改变来进行化学检测。这种单根纳米线化学传感器通常可通过的电流都很小,在pA至nA量级,需要较为精密的测量仪器进行测量。另外,分子在表面的吸附和解吸附是一个相对较慢的过程,这也导致相应的传感器反应时间和恢复时间较长,这也严重地限制了传感器的应用。王中林教授领导的小组深入分析比较了肖特基接触和欧姆接触的原理和特点,四年前就提出了肖特基接触可以用于构造高灵敏度传感器的不同于传统想法的新概念,并成功地在紫外光传感,生物传感和化学传感方面证明了这类新型传感器不仅灵敏度高,其反应时间和恢复时间也有了质的飞跃。这些新型传感器的优异性能归功于肖特基接触。肖特基势垒的高度对电流的传输起到关键作用。这两种传感器的原理就好比调节河流水流量的两种方式:传统纳米线传感器是利用改变河道宽度来控制水流量,而肖特基接触纳米线传感器是靠改变上游水坝高度来控制通过的水流量。压电效应是压电材料在应力作用下产生形变时出现的一种内部电势的现象,广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。对于氧化锌、氮化镓等半导体材料,由于同时具有压电性和半导体性,压电效应可以改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质,这就是压电电子学效应。基于这一想法,潘曹峰博士,于若蒙,牛思淼和朱光等博士生在王中林教授领导下先后构建了基于表面修饰的ZnO纳米线、具有肖特基接触的pH传感器和蛋白质传感器,并通过外加应力使ZnO纳米线内部产生压电电场,从而调节肖特基接触势垒高度,使这种化学传感器在探测相同浓度的蛋白质分子和质子浓度时,器件检测信号极大的提升了数个量级,其结果分别发表在《美国化学会纳米》(ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn306007p)和《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, 2013, 6,494)。这类新型纳米线传感器通过对纳米线施加一定应力,使其内部产生压电电势,在纳米线两端产生不可屏蔽的压电电荷,进而调整纳米线两端肖特基接触势垒高度,改变传感器的输运性质,提升传感器的检测信号。文章中报道了同一个器件,通过施加0.92%的压缩应变后,其检测电流可从不加应力时的1.2nA提高到1.8μA,超过1000倍,使得传感器信号检测更为容易,从而摆脱对高精度检测仪器的依赖。更为重要的是,纳米线内部的极化电场和极化电荷有可能将溶液中远处的带相反电荷的待探测物质(如质子、带电离子团等)通过静电引力吸附到纳米线附近溶液中,使得行测物质在纳米线传感器附近“浓缩”,这样待测物质或目标分子在纳米线上的吸附机率将大为增加,这样便可提升同种化学物质的化学检测极限。这种基于肖特基结纳米结构以及压电电子学效应的化学传感器的设计思路和方法,在自驱动、环境监测,甚至国防科技方面都将有很大的应用前景。 更多阅读 《ACS纳米》发表论文摘要 《能源与环境科学》发表论文摘要

中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林于2006年利用氧化锌纳米线受应力时产生的压电电势来调控场效应晶体管的载流子输运特性,即后来所说的压电电子学晶体管,并且首次提出了压电电子学的概念。压电电子学晶体管是一种利用完全不同于传统CMOS器件工作原理的新型器件。这种器件利用金属-压电半导体界面处产生的压电极化电荷作为栅极电压来调控晶体管中载流子的输运特性,并且已经在具有纤锌矿结构的压电半导体材料中得到了广泛证实。这种具有二端结构的晶体管不仅创新地利用界面调控替代了传统的外部沟道调控,并且有可能打破沟道宽度的限制。

报告中,潘曹峰首先对压电材料的基本性质进行了简要的介绍,这是一种有趣的材料,具有半导体、压电效应、光激发的三重特性。随后,潘曹峰主要就压电器件在传感方面的应用作了详细报告。

  针对以上问题,高义华所带领的团队与美国乔治亚理工学院王中林教授合作研究,基于金颗粒表面修饰的单根ZnO微米线,成功地通过压电势和金颗粒引入的肖特基势垒的耦合效应,增强对ZnO纳米线电输运过程的调控作用,制备出高性能的各种应力门控晶体管和紫外光-应力双门控晶体管。

近日,在王中林和西安电子科技大学教授秦勇的指导下,王龙飞、刘书海和殷鑫等制备了一种新型的、沟道只有~2 nm的超薄氧化锌压电电子学晶体管,首次将压电电子学效应引入到二维超薄非层状压电半导体材料中。该工作系统地研究了二维超薄氧化锌垂直方向上的压电特性,利用金属-半导体界面处产生的压电极化电荷(即垂直方向上的压电电势)作为栅极电压有效地调控了该器件的载流子输运特性,并且通过将两个超薄压电电子学晶体管串联实现了简易的压力调控的逻辑电路。这项研究证实了压电极化电荷在超短沟道中“门控”效应的有效性,该器件不需要外部栅电极或任何其它在纳米级长度下具有挑战性的图案化工艺设计。这项研究成果开辟了压电电子学效应在二维非层状压电半导体材料的研究,并且在人机界面、能源收集和纳米机电系统等领域具有潜在的应用前景。相关研究成果以Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths 为题发表在ACS Nano上 (DOI: 10.1021/acsnano.8b01957)。

潘曹峰主要从事低维压电半导体力光电耦合效应及相关微纳光电功能器件研究。在Nat. Photon.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Nano Lett.、ACS Nano等期刊上发表SCI论文近70篇,引用1600多次。其中影响因子10.0以上论文45 篇,第一作者或通讯作者论文30多篇。在国际顶级学术会议做邀请报告5次、口头报告6次,并担任2013年美国材料年会春季会议W会场(纳米发电机和压电电子学)分会主席之一,担任Nanoenergy and nanosystems2014会议光电子分会主席。

  研究表明:在同等程度弯曲下,与无金颗粒修饰的器件相比,金颗粒修饰的ZnO微米线压电晶体管更大幅度地降低了暗电流,提高了器件的开关比。比如,在5 V偏压下,最大开关比达到Imax/Imin=9.3×104。此研究实现了快速响应、高开关比和低功耗的压电光电器件,得到了ZnO压电、光激发和半导体性质的三元耦合效应,有望在便携式电子产品、医疗科学和国防科技等重要的应用领域得到应用。

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  该研究工作得到了国家自然科学基金和海外项目等项目的资助。

两纳米超短沟道的压电电子学晶体管制备成功

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