美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的James Hone研究組合作，首次在二維單原子層材料二硫化鉬中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)和壓電電子學(xué)效應(yīng)(piezotronic effect)，并首次成功實(shí)現(xiàn)利用單原子層壓電半導(dǎo)體材料受應(yīng)力/應(yīng)變作用而產(chǎn)生的壓電極化電荷對(duì)制得的壓電電子學(xué)晶體管中的載流子輸運(yùn)進(jìn)行有效調(diào)控。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們還首次實(shí)現(xiàn)了在單原子層尺度從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化過程。他們的論文于10月15日在線發(fā)表于英國(guó)《自然》雜志。審稿人評(píng)價(jià)該工作為“具有高度原創(chuàng)性和極其重要的意義”(This work is highly original and significant)，“在柔性電子學(xué)中具有重要應(yīng)用”。
實(shí)現(xiàn)和推動(dòng)消費(fèi)性電子產(chǎn)品、人造皮膚、機(jī)器人、生物醫(yī)療和可穿戴式科技等新興應(yīng)用需要具有功能可調(diào)控的電子器件和能源采集單元的設(shè)計(jì)和開發(fā)。電子器件和周圍環(huán)境或寄主（例如人體）中的激勵(lì)信號(hào)之間主動(dòng)自適應(yīng)式的交互在這些新興應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。廣泛存在于環(huán)境中的機(jī)械信號(hào)則為調(diào)控和功能驅(qū)動(dòng)微納系統(tǒng)中的電器元件提供了重要和豐富的激勵(lì)和能量來源。然而直接利用傳統(tǒng)硅基電子器件去交互響應(yīng)和采集機(jī)械信號(hào)卻非常困難，并且反過來利用機(jī)械信號(hào)來直接控制硅基器件也十分繁瑣。壓電效應(yīng)是壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部電勢(shì)的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于微機(jī)械傳感、器件驅(qū)動(dòng)和能源領(lǐng)域。近些年來，對(duì)于具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅（ZnO）和氮化鎵（GaN）等壓電半導(dǎo)體材料的深入研究表明，當(dāng)這類壓電半導(dǎo)體材料受到外加應(yīng)力時(shí)，由于晶體中離子的極化產(chǎn)生的極化電荷可以有效改變金屬-半導(dǎo)體的界面勢(shì)壘和p-n結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)�；谶@種現(xiàn)象，王中林教授于2007年首次在國(guó)際上提出壓電電子學(xué)這個(gè)原創(chuàng)的概念并形成了相應(yīng)的研究領(lǐng)域。壓電電子學(xué)效應(yīng)是利用應(yīng)變引起的界面極化電荷調(diào)制界面處能帶結(jié)構(gòu)并進(jìn)而有效地調(diào)節(jié)和控制界面或結(jié)區(qū)的載流子輸運(yùn)過程的一個(gè)物理效應(yīng)。迄今為止，壓電效應(yīng)和壓電電子學(xué)效應(yīng)的研究還限于塊體、薄膜和一維納米材料。部分二維層狀材料如過渡金屬硫化物（MoS2, MoSe2 和WTe2等）隨著層數(shù)厚度的改變會(huì)呈現(xiàn)不同的晶體空間對(duì)稱性：其三維塊體形式具有中心對(duì)稱性；但當(dāng)其厚度減少到僅為一個(gè)原子層時(shí)，材料具有非中心對(duì)稱性。因此之前的理論研究預(yù)測(cè)單原子層二硫化鉬應(yīng)該具有顯著的壓電性。然而，單原子層材料的壓電性從未在實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)驗(yàn)證過。
在王中林教授的指導(dǎo)下，佐治亞理工學(xué)院的武文倬博士與哥倫比亞大學(xué)的王雷博士經(jīng)過兩年艱苦的嘗試和卓有成效的合作，首次在單原子層二硫化鉬材料中觀測(cè)到顯著的壓電性和壓電電子學(xué)效應(yīng)，并利用這些特性實(shí)現(xiàn)了單原子尺度的壓電電子學(xué)傳感和機(jī)械能采集。 該研究利用光學(xué)二次諧波技術(shù)確定二硫化鉬材料的晶向，以確定電極的位置和施加應(yīng)變的方向。James Hone 組提供了二硫化鉬的樣品，王中林教授組對(duì)材料進(jìn)行了壓電效應(yīng)和壓電電子學(xué)效應(yīng)的測(cè)試表征。研究發(fā)現(xiàn)，在單層二硫化鉬兩端受應(yīng)變產(chǎn)生的極化電荷可以驅(qū)動(dòng)電子在外電路中的流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。更為重要的是，該研究在實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到通過機(jī)械應(yīng)變作為門控信號(hào)的壓電電子學(xué)效應(yīng)：?jiǎn)螌佣蚧f中中離子極化產(chǎn)生的極化電荷可以有效改變金屬-二硫化鉬的界面勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子輸運(yùn)的有效調(diào)控。
該工作取得了以下幾項(xiàng)重大突破：
一、這是科學(xué)家首次在單原子層二維材料中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到壓電效應(yīng)。
二、二維材料中極化電荷隨施加應(yīng)變的變化效應(yīng)被首次報(bào)道；隨著應(yīng)變方向改變90度，單原子層二維材料的壓電輸出反向。
三、二維材料中壓電性質(zhì)隨著層數(shù)改變而變化的現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中被首次觀測(cè)到。由于原子層數(shù)的改變導(dǎo)致相應(yīng)的材料晶體對(duì)稱性發(fā)生變化：當(dāng)二硫化鉬材料的層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，其具有壓電性，且壓電效應(yīng)隨著奇數(shù)層數(shù)的增加而減弱；而當(dāng)二硫化鉬材料的層數(shù)為偶數(shù)時(shí)，由于材料中中心對(duì)稱性的恢復(fù)，其不具有壓電性。這些趨勢(shì)和之前的理論預(yù)測(cè)相符。
四、二維壓電半導(dǎo)體材料中的壓電電子學(xué)效應(yīng)被首次觀測(cè)報(bào)道。通過這個(gè)效應(yīng)，機(jī)械應(yīng)變可以作為門控信號(hào)來調(diào)控基于二維材料的電子器件中的載流子輸運(yùn)。通過壓電電子學(xué)效應(yīng)利用壓電極化電荷來可控調(diào)節(jié)二維材料器件中肖特基勢(shì)壘或p-n結(jié)特性，將有可能實(shí)現(xiàn)不改變器件界面的結(jié)構(gòu)或化學(xué)性質(zhì)而達(dá)到調(diào)控改善電子器件和光電子元件的效果。這是利用輸入電壓作為門控信號(hào)的傳統(tǒng)技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。此外，基于壓電電子學(xué)效應(yīng)，還可以規(guī)避傳統(tǒng)納米晶體管中難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)繞門電極的制備，從而利用諸如垂直范德華異質(zhì)結(jié)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高密度地三維陣列集成二維納米電子/光電子器件。
五、利用陣列集成化學(xué)氣相法沉積制備的單層二硫化鉬以提高壓電輸出和能量轉(zhuǎn)化被首次實(shí)現(xiàn)。通過電氣串聯(lián)或并聯(lián)單個(gè)的化學(xué)氣相法沉積制備的二硫化鉬，系統(tǒng)的壓電輸出電壓和電流都可以得到相應(yīng)的增加。這為大規(guī)模集成二維壓電半導(dǎo)體材料并將其應(yīng)用于納米器件供能，壓力成像和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域提供了可能性。
該研究的重大科學(xué)創(chuàng)新是首次驗(yàn)證了壓電電子學(xué)效應(yīng)在單原子層二維材料中的存在；首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了二維材料中的壓電性；首次實(shí)現(xiàn)了單原子層壓電電子學(xué)晶體管的制造和表征以及首次實(shí)現(xiàn)了在單原子層尺度從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。該研究是納米科技發(fā)展中的新里程碑，開啟了納米科技發(fā)展的新紀(jì)元。這項(xiàng)研究同時(shí)也開創(chuàng)了研究和應(yīng)用二維納米材料壓電特性的全新領(lǐng)域。二維材料中壓電性和半導(dǎo)體特性的耦合引起的壓電電子學(xué)效應(yīng)在單原子層材料中可能會(huì)產(chǎn)生全新的基礎(chǔ)現(xiàn)象和帶來前所未有的器件應(yīng)用。該研究的應(yīng)用范圍涵蓋生物醫(yī)療、人工智能、人機(jī)交互、能源和通信等領(lǐng)域。產(chǎn)生壓電電荷的機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可以是由空氣或水的流動(dòng)、機(jī)器引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、人體運(yùn)動(dòng)、肌肉伸縮、呼吸、心跳或血液流動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。產(chǎn)生的壓電極化電荷可以對(duì)器件中源漏極的界面勢(shì)壘有效地調(diào)控，起到與場(chǎng)效應(yīng)晶體管中柵極電壓相似的作用，通過加在器件上的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)制得器件中的載流子輸運(yùn)過程進(jìn)行有效地調(diào)控或觸發(fā)。基于二維壓電半導(dǎo)體的能量采集單元和壓電電子學(xué)器件同其他二維材料功能元件（例如邏輯器件、通信元件和光電器件）等集成在同一個(gè)襯底上，將有可能實(shí)現(xiàn)單原子層尺度的自驅(qū)動(dòng)納米系統(tǒng)，這在傳感、自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自適應(yīng)生物探針、主動(dòng)式柔性電子/光電子和人機(jī)互動(dòng)等方面具有廣泛應(yīng)用。
論文共同通訊作者王中林院士是中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家，該所是由中國(guó)科學(xué)院和北京市聯(lián)合共建的科研機(jī)構(gòu)。
