王中林研究組創立壓電電子學和壓電光電子學

　　王中林是中國科學院外籍院士、美國佐治亞理工學院董事教授。據佐治亞理工學院新聞中心報道，王中林小組發明了一種基于壓電效應的新型納米電子邏輯器件。這種邏輯器件的開關可以通過外加在氧化鋅納米線上的應力所產生的電場調控，進而實現基本和復雜的邏輯功能；這是他開創的壓電電子學（Piezotronics）的一部分。與此同時，他們還發明了壓電光電子學效應（Piezo-phototronics effect）納米器件。

　　這種新型納米邏輯器件的基本元件包括晶體管和二極管，可廣泛應用于納米機器人、納米機電系統、微機電系統、微流體器件中。調控這類邏輯器件的信號應力可以是簡單的按鈕動作，也可由液體流動、肌肉的伸縮或機器人部件的運動所產生。

　　壓電效應是指特定晶體材料在應力作用下變形時所產生電壓的現象，即一種機械能與電能互換的現象。這種現象是1880年由皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發現的。壓電材料發生壓電效應的原因，是因為其內部原子的特殊排列方式，使得材料有了應力場和電場耦合的效應。壓電效應已被廣泛應用于微機械傳感、器件驅動和能源領域。而王中林的創意是把壓電效應和半導體效應結合起來，形成一個新的研究領域：壓電電子學。

　　在傳統的場效應晶體管中，一種場效應開關調控了半導體中電流的方向；這種電場是靠外加的電壓。而這種新型納米邏輯器件的開關場則是通過氧化鋅納米線的機械變形來產生的晶體內部場，它可以取代傳統金屬氧化物半導體（CMOS）器件中柵極電壓的作用，從而可調控載流子的運動。CMOS晶體管的研究致力于高速運算，與之互補，新型納米壓電邏輯器件適用于低頻應用領域。

　　2007年，基于納米級壓電和半導體性能的巧妙耦合，王中林首次提出了壓電電子學的概念，即利用壓電勢能來調制和控制半導體中的電流。借用氧化鋅納米結構同時具備半導體性和壓電性的獨特性質，他們制備出第一個壓電三極管和壓電二極管，《自然—納米技術》將之稱為壓電電子效應。

　　過去3年中，王中林小組發明了一系列基于納米壓電效應的電子器件，包括納米發電機、納米線感應器和納米邏輯器件。他解釋說：“利用機械應變作為柵極門控制信號的氧化鋅納米線壓電晶體管（strain-gated-transistor）是這一組新型邏輯器件的基本組成元件。每個氧化鋅納米線壓電晶體管由一根集成在柔性襯底上的氧化鋅納米線和其兩端的源漏金屬電極構成。”

　　改變作用在柔性襯底上的應力，在納米線中應變極性發生相應的改變，進而實現對壓電晶體管的觸發調控。”

　　他們在《納米快報》、《先進材料》和《應用物理快報》等期刊上發表了一系列文章，介紹這種新型納米尺度的器件。

　　2009年，壓電電子學被麻省理工學院主辦的《技術評論》評選為十大創新技術之一。最近出版的《大眾力學》把壓電顯示屏評為未來十大核心技術之一。

　　王中林表示：“我們所發明的這些氧化鋅納米器件可整合成一個自主發電、自動控制的智能納米系統；完全基于氧化鋅納米線，我們能創建具有記憶、處理和感應能力的復雜系統，系統所需要的電能均取自外部環境。”

　　與此同時，王中林小組也完成了利用激光來控制氧化鋅納米器件導電性的工作，這些激光源自材料特有的光激發性。當激光中的紫外光擊中吸附在氧化鋅器件上的金屬時，會產生改變氧化鋅—金屬接觸面上肖特基勢壘高度的電子空穴對，這種激光導致的導電性能的變化可用于機械應力的改變，從而更精確地調控器件的導電能力。

　　“激光提高了這種結構的導電性，與壓電效應提高勢壘高度相反，激光效應減少了勢壘高度。”他將這類結合壓電性、光激發和半導體性能的新器件稱為“壓電光電子學效應”器件。

　　王中林解釋說，作為柵極電壓調控的電子器件，壓電勢顯示了一種制備由應變、應力或壓強驅動和控制的電子器件的新方法。壓電光電子學是壓電效應、光激發和半導體傳輸特性三相耦合的一種效應，它是通過應變引起的壓電勢來調節和控制光電過程。壓電電子學和壓電光電子學將啟發新的電子和光電子器件的發明，并將在發光二極管、光電池和太陽能電池、人機界面、納米機器人、微納機電系統、人機交互等領域得到廣泛應用。

　　最近10年，王中林小組一直致力于研究開發納米尺度的發電機和傳感器。他表示，希望有一天能將納米尺度的發電機、傳感器和邏輯運算器件有機集成起來，實現自驅動和自主決策的智能納米系統；這種基于全氧化鋅材料的智能納米系統將包括信號感應以及信息存儲和處理功能，同時能將周圍環境中的機械能轉化成電能以維持系統運轉。