王中林研究組創(chuàng)立壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)

作者：藍(lán)天 2010-10-15

來源：《科學(xué)時報》 #壓電# #研究組# #光電子學(xué)# #中林#

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王中林是中國科學(xué)院外籍院士、美國佐治亞理工學(xué)院董事教授。據(jù)佐治亞理工學(xué)院新聞中心報道，王中林小組發(fā)明了一種基于壓電效應(yīng)的新型納米電子邏輯器件。這種邏輯器件的開關(guān)可以通過外加在氧化鋅納米線上的應(yīng)力所產(chǎn)生的電場調(diào)控，進而實現(xiàn)基本和復(fù)雜的邏輯功能；這是他開創(chuàng)的壓電電子學(xué)（Piezotronics）的一部分。與此同時，他們還發(fā)明了壓電光電子學(xué)效應(yīng)（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(yīng)用于納米機器人、納米機電系統(tǒng)、微機電系統(tǒng)、微流體器件中。調(diào)控這類邏輯器件的信號應(yīng)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(chǎn)生。

壓電效應(yīng)是指特定晶體材料在應(yīng)力作用下變形時所產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象，即一種機械能與電能互換的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是1880年由皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)的。壓電材料發(fā)生壓電效應(yīng)的原因，是因為其內(nèi)部原子的特殊排列方式，使得材料有了應(yīng)力場和電場耦合的效應(yīng)。壓電效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于微機械傳感、器件驅(qū)動和能源領(lǐng)域。而王中林的創(chuàng)意是把壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)結(jié)合起來，形成一個新的研究領(lǐng)域：壓電電子學(xué)。

在傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管中，一種場效應(yīng)開關(guān)調(diào)控了半導(dǎo)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(guān)場則是通過氧化鋅納米線的機械變形來產(chǎn)生的晶體內(nèi)部場，它可以取代傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件中柵極電壓的作用，從而可調(diào)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(yīng)用領(lǐng)域。

2007年，基于納米級壓電和半導(dǎo)體性能的巧妙耦合，王中林首次提出了壓電電子學(xué)的概念，即利用壓電勢能來調(diào)制和控制半導(dǎo)體中的電流。借用氧化鋅納米結(jié)構(gòu)同時具備半導(dǎo)體性和壓電性的獨特性質(zhì)，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(shù)》將之稱為壓電電子效應(yīng)。

過去3年中，王中林小組發(fā)明了一系列基于納米壓電效應(yīng)的電子器件，包括納米發(fā)電機、納米線感應(yīng)器和納米邏輯器件。他解釋說：“利用機械應(yīng)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(gòu)成?！?/div>

改變作用在柔性襯底上的應(yīng)力，在納米線中應(yīng)變極性發(fā)生相應(yīng)的改變，進而實現(xiàn)對壓電晶體管的觸發(fā)調(diào)控?！?/div>

他們在《納米快報》、《先進材料》和《應(yīng)用物理快報》等期刊上發(fā)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(xué)被麻省理工學(xué)院主辦的《技術(shù)評論》評選為十大創(chuàng)新技術(shù)之一。最近出版的《大眾力學(xué)》把壓電顯示屏評為未來十大核心技術(shù)之一。

王中林表示：“我們所發(fā)明的這些氧化鋅納米器件可整合成一個自主發(fā)電、自動控制的智能納米系統(tǒng)；完全基于氧化鋅納米線，我們能創(chuàng)建具有記憶、處理和感應(yīng)能力的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)所需要的電能均取自外部環(huán)境?！?/div>

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(dǎo)電性的工作，這些激光源自材料特有的光激發(fā)性。當(dāng)激光中的紫外光擊中吸附在氧化鋅器件上的金屬時，會產(chǎn)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(dǎo)致的導(dǎo)電性能的變化可用于機械應(yīng)力的改變，從而更精確地調(diào)控器件的導(dǎo)電能力。

“激光提高了這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性，與壓電效應(yīng)提高勢壘高度相反，激光效應(yīng)減少了勢壘高度。”他將這類結(jié)合壓電性、光激發(fā)和半導(dǎo)體性能的新器件稱為“壓電光電子學(xué)效應(yīng)”器件。

王中林解釋說，作為柵極電壓調(diào)控的電子器件，壓電勢顯示了一種制備由應(yīng)變、應(yīng)力或壓強驅(qū)動和控制的電子器件的新方法。壓電光電子學(xué)是壓電效應(yīng)、光激發(fā)和半導(dǎo)體傳輸特性三相耦合的一種效應(yīng)，它是通過應(yīng)變引起的壓電勢來調(diào)節(jié)和控制光電過程。壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)將啟發(fā)新的電子和光電子器件的發(fā)明，并將在發(fā)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(tǒng)、人機交互等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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

《科學(xué)時報》 (2010-10-14 A1 要聞)