科學家在單原子層材料中首次觀測到壓電電子學效應

　　美國佐治亞理工學院和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士領導的研究小組最近與美國哥倫比亞大學的James Hone研究組合作，首次在二維單原子層材料二硫化鉬中實驗觀測到壓電效應(piezoelectric effect)和壓電電子學效應(piezotronic effect)，并首次成功實現利用單原子層壓電半導體材料受應力/應變作用而產生的壓電極化電荷對制得的壓電電子學晶體管中的載流子輸運進行有效調控。在這項研究中，科學家們還首次實現了在單原子層尺度從機械能到電能的轉化過程。他們的論文于10月15日在線發表于英國《自然》雜志。審稿人評價該工作為“具有高度原創性和極其重要的意義”(This work is highly original and significant)，“在柔性電子學中具有重要應用”。

　　實現和推動消費性電子產品、人造皮膚、機器人、生物醫療和可穿戴式科技等新興應用需要具有功能可調控的電子器件和能源采集單元的設計和開發。電子器件和周圍環境或寄主（例如人體）中的激勵信號之間主動自適應式的交互在這些新興應用中起著至關重要的作用。廣泛存在于環境中的機械信號則為調控和功能驅動微納系統中的電器元件提供了重要和豐富的激勵和能量來源。然而直接利用傳統硅基電子器件去交互響應和采集機械信號卻非常困難，并且反過來利用機械信號來直接控制硅基器件也十分繁瑣。壓電效應是壓電材料在應力作用下產生形變時出現內部電勢的現象，廣泛應用于微機械傳感、器件驅動和能源領域。近些年來，對于具有纖鋅礦結構的氧化鋅（ZnO）和氮化鎵（GaN）等壓電半導體材料的深入研究表明，當這類壓電半導體材料受到外加應力時，由于晶體中離子的極化產生的極化電荷可以有效改變金屬-半導體的界面勢壘和p-n結的輸運性質。基于這種現象，王中林教授于2007年首次在國際上提出壓電電子學這個原創的概念并形成了相應的研究領域。壓電電子學效應是利用應變引起的界面極化電荷調制界面處能帶結構并進而有效地調節和控制界面或結區的載流子輸運過程的一個物理效應。迄今為止，壓電效應和壓電電子學效應的研究還限于塊體、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）隨著層數厚度的改變會呈現不同的晶體空間對稱性：其三維塊體形式具有中心對稱性；但當其厚度減少到僅為一個原子層時，材料具有非中心對稱性。因此之前的理論研究預測單原子層二硫化鉬應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驗中被觀測驗證過。

　　在王中林教授的指導下，佐治亞理工學院的武文倬博士與哥倫比亞大學的王雷博士經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到顯著的壓電性和壓電電子學效應，并利用這些特性實現了單原子尺度的壓電電子學傳感和機械能采集。 該研究利用光學二次諧波技術確定二硫化鉬材料的晶向，以確定電極的位置和施加應變的方向。James Hone 組提供了二硫化鉬的樣品，王中林教授組對材料進行了壓電效應和壓電電子學效應的測試表征。研究發現，在單層二硫化鉬兩端受應變產生的極化電荷可以驅動電子在外電路中的流動，以實現從機械能到電能的轉化。更為重要的是，該研究在實驗中首次觀測到通過機械應變作為門控信號的壓電電子學效應：單層二硫化鉬中中離子極化產生的極化電荷可以有效改變金屬-二硫化鉬的界面勢壘以實現對載流子輸運的有效調控。

　　該工作取得了以下幾項重大突破：

　　一、這是科學家首次在單原子層二維材料中實驗觀測到壓電效應。

　　二、二維材料中極化電荷隨施加應變的變化效應被首次報道；隨著應變方向改變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隨著層數改變而變化的現象在實驗中被首次觀測到。由于原子層數的改變導致相應的材料晶體對稱性發生變化：當二硫化鉬材料的層數為奇數時，其具有壓電性，且壓電效應隨著奇數層數的增加而減弱；而當二硫化鉬材料的層數為偶數時，由于材料中中心對稱性的恢復，其不具有壓電性。這些趨勢和之前的理論預測相符。

　　四、二維壓電半導體材料中的壓電電子學效應被首次觀測報道。通過這個效應，機械應變可以作為門控信號來調控基于二維材料的電子器件中的載流子輸運。通過壓電電子學效應利用壓電極化電荷來可控調節二維材料器件中肖特基勢壘或p-n結特性，將有可能實現不改變器件界面的結構或化學性質而達到調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的傳統技術所不能實現的。此外，基于壓電電子學效應，還可以規避傳統納米晶體管中難以實現的環繞門電極的制備，從而利用諸如垂直范德華異質結等技術實現大規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化被首次實現。通過電氣串聯或并聯單個的化學氣相法沉積制備的二硫化鉬，系統的壓電輸出電壓和電流都可以得到相應的增加。這為大規模集成二維壓電半導體材料并將其應用于納米器件供能，壓力成像和可穿戴設備等領域提供了可能性。

　　該研究的重大科學創新是首次驗證了壓電電子學效應在單原子層二維材料中的存在；首次實驗觀測到了二維材料中的壓電性；首次實現了單原子層壓電電子學晶體管的制造和表征以及首次實現了在單原子層尺度從機械能到電能的轉化。該研究是納米科技發展中的新里程碑，開啟了納米科技發展的新紀元。這項研究同時也開創了研究和應用二維納米材料壓電特性的全新領域。二維材料中壓電性和半導體特性的耦合引起的壓電電子學效應在單原子層材料中可能會產生全新的基礎現象和帶來前所未有的器件應用。該研究的應用范圍涵蓋生物醫療、人工智能、人機交互、能源和通信等領域。產生壓電電荷的機械驅動，可以是由空氣或水的流動、機器引擎的運轉轉動、人體運動、肌肉伸縮、呼吸、心跳或血液流動等產生的機械振動信號。產生的壓電極化電荷可以對器件中源漏極的界面勢壘有效地調控，起到與場效應晶體管中柵極電壓相似的作用，通過加在器件上的應力應變對制得器件中的載流子輸運過程進行有效地調控或觸發。基于二維壓電半導體的能量采集單元和壓電電子學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）等集成在同一個襯底上，將有可能實現單原子層尺度的自驅動納米系統，這在傳感、自驅動系統、自適應生物探針、主動式柔性電子/光電子和人機互動等方面具有廣泛應用。

　　論文共同通訊作者王中林院士是中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家，該所是由中國科學院和北京市聯合共建的科研機構。