科学家在单原子层材料中首次观测到压电电子学效应

　　美国佐治亚理工学院和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最近与美国哥伦比亚大学的James Hone研究组合作，首次在二维单原子层材料二硫化钼中实验观测到压电效应(piezoelectric effect)和压电电子学效应(piezotronic effect)，并首次成功实现利用单原子层压电半导体材料受应力/应变作用而产生的压电极化电荷对制得的压电电子学晶体管中的载流子输运进行有效调控。在这项研究中，科学家们还首次实现了在单原子层尺度从机械能到电能的转化过程。他们的论文于10月15日在线发表于英国《自然》杂志。审稿人评价该工作为“具有高度原创性和极其重要的意义”(This work is highly original and significant)，“在柔性电子学中具有重要应用”。

　　实现和推动消费性电子产品、人造皮肤、机器人、生物医疗和可穿戴式科技等新兴应用需要具有功能可调控的电子器件和能源采集单元的设计和开发。电子器件和周围环境或寄主（例如人体）中的激励信号之间主动自适应式的交互在这些新兴应用中起着至关重要的作用。广泛存在于环境中的机械信号则为调控和功能驱动微纳系统中的电器元件提供了重要和丰富的激励和能量来源。然而直接利用传统硅基电子器件去交互响应和采集机械信号却非常困难，并且反过来利用机械信号来直接控制硅基器件也十分繁琐。压电效应是压电材料在应力作用下产生形变时出现内部电势的现象，广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。近些年来，对于具有纤锌矿结构的氧化锌（ZnO）和氮化镓（GaN）等压电半导体材料的深入研究表明，当这类压电半导体材料受到外加应力时，由于晶体中离子的极化产生的极化电荷可以有效改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质。基于这种现象，王中林教授于2007年首次在国际上提出压电电子学这个原创的概念并形成了相应的研究领域。压电电子学效应是利用应变引起的界面极化电荷调制界面处能带结构并进而有效地调节和控制界面或结区的载流子输运过程的一个物理效应。迄今为止，压电效应和压电电子学效应的研究还限于块体、薄膜和一维纳米材料。部分二维层状材料如过渡金属硫化物（MoS2, MoSe2 和WTe2等）随着层数厚度的改变会呈现不同的晶体空间对称性：其三维块体形式具有中心对称性；但当其厚度减少到仅为一个原子层时，材料具有非中心对称性。因此之前的理论研究预测单原子层二硫化钼应该具有显著的压电性。然而，单原子层材料的压电性从未在实验中被观测验证过。

　　在王中林教授的指导下，佐治亚理工学院的武文倬博士与哥伦比亚大学的王雷博士经过两年艰苦的尝试和卓有成效的合作，首次在单原子层二硫化钼材料中观测到显著的压电性和压电电子学效应，并利用这些特性实现了单原子尺度的压电电子学传感和机械能采集。 该研究利用光学二次谐波技术确定二硫化钼材料的晶向，以确定电极的位置和施加应变的方向。James Hone 组提供了二硫化钼的样品，王中林教授组对材料进行了压电效应和压电电子学效应的测试表征。研究发现，在单层二硫化钼两端受应变产生的极化电荷可以驱动电子在外电路中的流动，以实现从机械能到电能的转化。更为重要的是，该研究在实验中首次观测到通过机械应变作为门控信号的压电电子学效应：单层二硫化钼中中离子极化产生的极化电荷可以有效改变金属-二硫化钼的界面势垒以实现对载流子输运的有效调控。

　　该工作取得了以下几项重大突破：

　　一、这是科学家首次在单原子层二维材料中实验观测到压电效应。

　　二、二维材料中极化电荷随施加应变的变化效应被首次报道；随着应变方向改变90度，单原子层二维材料的压电输出反向。

　　三、二维材料中压电性质随着层数改变而变化的现象在实验中被首次观测到。由于原子层数的改变导致相应的材料晶体对称性发生变化：当二硫化钼材料的层数为奇数时，其具有压电性，且压电效应随着奇数层数的增加而减弱；而当二硫化钼材料的层数为偶数时，由于材料中中心对称性的恢复，其不具有压电性。这些趋势和之前的理论预测相符。

　　四、二维压电半导体材料中的压电电子学效应被首次观测报道。通过这个效应，机械应变可以作为门控信号来调控基于二维材料的电子器件中的载流子输运。通过压电电子学效应利用压电极化电荷来可控调节二维材料器件中肖特基势垒或p-n结特性，将有可能实现不改变器件界面的结构或化学性质而达到调控改善电子器件和光电子元件的效果。这是利用输入电压作为门控信号的传统技术所不能实现的。此外，基于压电电子学效应，还可以规避传统纳米晶体管中难以实现的环绕门电极的制备，从而利用诸如垂直范德华异质结等技术实现大规模高密度地三维阵列集成二维纳米电子/光电子器件。

　　五、利用阵列集成化学气相法沉积制备的单层二硫化钼以提高压电输出和能量转化被首次实现。通过电气串联或并联单个的化学气相法沉积制备的二硫化钼，系统的压电输出电压和电流都可以得到相应的增加。这为大规模集成二维压电半导体材料并将其应用于纳米器件供能，压力成像和可穿戴设备等领域提供了可能性。

　　该研究的重大科学创新是首次验证了压电电子学效应在单原子层二维材料中的存在；首次实验观测到了二维材料中的压电性；首次实现了单原子层压电电子学晶体管的制造和表征以及首次实现了在单原子层尺度从机械能到电能的转化。该研究是纳米科技发展中的新里程碑，开启了纳米科技发展的新纪元。这项研究同时也开创了研究和应用二维纳米材料压电特性的全新领域。二维材料中压电性和半导体特性的耦合引起的压电电子学效应在单原子层材料中可能会产生全新的基础现象和带来前所未有的器件应用。该研究的应用范围涵盖生物医疗、人工智能、人机交互、能源和通信等领域。产生压电电荷的机械驱动，可以是由空气或水的流动、机器引擎的运转转动、人体运动、肌肉伸缩、呼吸、心跳或血液流动等产生的机械振动信号。产生的压电极化电荷可以对器件中源漏极的界面势垒有效地调控，起到与场效应晶体管中栅极电压相似的作用，通过加在器件上的应力应变对制得器件中的载流子输运过程进行有效地调控或触发。基于二维压电半导体的能量采集单元和压电电子学器件同其他二维材料功能元件（例如逻辑器件、通信元件和光电器件）等集成在同一个衬底上，将有可能实现单原子层尺度的自驱动纳米系统，这在传感、自驱动系统、自适应生物探针、主动式柔性电子/光电子和人机互动等方面具有广泛应用。

　　论文共同通讯作者王中林院士是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家，该所是由中国科学院和北京市联合共建的科研机构。