近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系楊卓青研究員團(tuán)隊(duì)與合作者實(shí)現(xiàn)了液滴驅(qū)動(dòng)肖特基二極管的恒流發(fā)電。基于金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)肖特基二極管陣列，利用水滴驅(qū)動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)恒流輸出而無(wú)需外部整流電路，從而提高了能量的轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)論文以“A constant-current generator by water droplets driving Schottky diode without rectifying circuit”（無(wú)整流電路的液滴驅(qū)動(dòng)肖特基二極管恒流發(fā)電機(jī)）為題在線發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Energy & Environmental Science》。

智能化、小型化和多功能先進(jìn)電子設(shè)備能夠源源不斷地從外界獲取信息，因此開(kāi)發(fā)這些小型化的先進(jìn)電子器件和設(shè)備是實(shí)現(xiàn)未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)。一方面，這些電子器件能夠作為傳感單元從環(huán)境中感知海量信息；另一方面，為這些傳感單元進(jìn)行能源供應(yīng)也是亟需解決的科學(xué)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。在眾多材料體系中，導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料，由于其在特定器件中所展現(xiàn)的整流效應(yīng)，因而在微能源收集、集成電路、傳感系統(tǒng)、通信設(shè)施等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

該工作基于金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)，闡明了水滴驅(qū)動(dòng)肖特基MSM器件的輸出機(jī)制。通過(guò)設(shè)計(jì)并制備不同類型的MSM結(jié)構(gòu)，對(duì)其電流-電壓（I-V）特性及在水滴驅(qū)動(dòng)下的電學(xué)輸出進(jìn)行了分析，并結(jié)合開(kāi)爾文探針顯微鏡（KPFM）對(duì)水滴驅(qū)動(dòng)MSM的發(fā)電機(jī)制進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)摩擦起電效應(yīng)，水滴能夠在肖特基勢(shì)壘兩端施加偏壓，并對(duì)肖特基勢(shì)壘進(jìn)行調(diào)控。在單水滴驅(qū)動(dòng)下，MSM結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生高達(dá)400 μA的直流電。此外，通過(guò)改變MSM結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料、電極材料、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其I-V特性及電學(xué)輸出的調(diào)控，并驗(yàn)證了本工作提出的直流發(fā)電機(jī)制。此外，基于雨滴能采集的應(yīng)用場(chǎng)景并結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加工工藝，制備了垂直結(jié)構(gòu)的MSM肖特基勢(shì)壘二極管發(fā)電陣列。通過(guò)對(duì)頂電極陣列進(jìn)行優(yōu)化，研究了不同陣列結(jié)構(gòu)MSM的I-V特性及單水滴驅(qū)動(dòng)下的電學(xué)輸出。最后，通過(guò)模擬隨機(jī)降雨場(chǎng)景，對(duì)不同陣列結(jié)構(gòu)MSM在多水滴驅(qū)動(dòng)下的電學(xué)輸出特性進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)了基于肖特基二極管陣列的恒流發(fā)電。

該研究工作證明了水滴能夠驅(qū)動(dòng)肖特基MSM結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)直流電學(xué)輸出，由于摩擦起電效應(yīng)以及在固-液界面構(gòu)建的雙電層電容，砸落的水滴能夠造成系統(tǒng)中電荷的重新分布，此時(shí)通過(guò)水的橋梁連接作用能夠在金屬半導(dǎo)體的兩端施加偏置電壓，從而調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)壘并促進(jìn)載流子的傳輸。更重要的是，本工作強(qiáng)調(diào)了摩擦電勢(shì)對(duì)金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）肖特基勢(shì)壘的調(diào)控，以及這種發(fā)電機(jī)制所產(chǎn)生的潛在應(yīng)用，包括能量采集、液滴邏輯電路以及流體信號(hào)監(jiān)測(cè)等。