秦勇王中林和秦勇：挠曲电电子学

2021-11-05 22:33

原创长光所Light中心中国光学

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封面来源:pixabay

撰稿 | 鲜辉

导读

最近，王忠林院士和泰利教授在基于中心对称结构的第一代半导体-金属界面工程的研究中取得了突破，成功实现了对硅金属等中心对称半导体器件的类似于CMOS栅压控电子输运的界面控制。

作者首次从实验和理论上证明了中心对称半导体中挠曲电效应的存在，并利用该效应通过对中心对称半导体—金属界面材料肖特基势垒高度的控制从而来调控界面电子-载流子的输运行为。

本研究在实验和理论模拟分析的基础上，阐述了具有中心对称结构的半导体中的柔性电效应，拓展了柔性电效应在半导体领域的研究，特别是应用于半导体-金属界面工程的研究，在电子/光电子、信息传感、人机界面、人工智能等领域将有广阔的应用前景。

研究背景

界面工程在电子/光电子学、传感、人机界面、人工智能等领域同样具有广阔的应用前景，并且已经取得了巨大的进展。例如基于压电效应、热释电效应、铁电效应的界面调控取得了研究人员的极大关注和广泛研究。但这些效应仅存在于一些非中心对称半导体材料中，极大限制了它们在第一代和第二代半导体如Si、Ge、GaAs等材料中的应用。因此，探索在具有中心对称结构的半导体中引入类似的界面调控效应具有重要的价值和意义。

弯曲效应，又称弯曲效应，最早是由马什克维奇和托尔皮戈在20世纪60年代提出的。这种效应是由应变梯度引起的极化现象引起的。在非均匀应变的激发下，材料局部极化，从而产生极化电场。

挠曲电效应与大家熟知的压电效应一样均属于力电耦合效应，但不同的是前者存在于几乎所有介电材料中而与是否存在非中心对称的晶体结构如ZnO无关。

2014年，帕拉德普·夏尔马教授及其合作者通过非压电系统二维材料中的屈电效应发现了异常压电现象。如图1所示，是不同条件下非压电材料在非均匀应力下的极化示意图。

图1。非均匀应力下非压电材料的极化

图片来源：Nat Commun 5, 4284

2018年，杨明敏和马林·阿利克夏在《科学》杂志上发表了一篇文章，通过人工手段将对称性破缺引入到具有中心对称性的材料中，从而诱发了原本不可能发生的体光伏效应。其核心是通过应变梯度人工引入非中心对称和极化，可以通过弯曲变形直观诱导光伏效应的产生和增强。如图2所示，描述了建立在中心对称的钛酸锶和二氧化钛单晶样品上的机电耦合器件以及应力加载下感应体光伏效应的表征。

图2。应力梯度诱导的中心对称钛酸锶和二氧化钛单晶的体光伏效应

图片来源：Science 25 May 2018:Vol. 360, Issue 6391, pp. 904-907

这两项研究有力地证实了中心对称结构材料中屈电效应的存在和相关应用。

那么，问题来了：在中心对称的半导体中是否也存在挠曲电效应呢，以及能否利用该效应实现对金属-半导体的界面工程调控应用呢？也即上文提到的类似门电压控制CMOS器件的效果。而本文即将要讲述的文章《中心对称半导体的挠曲电电子学》深刻详尽地回答了这一问题。

本文采用实验和理论模拟相结合的分析方法，证明了中心对称结构半导体中屈电效应的存在。同时，作者利用弯曲效应成功地实现了金属-半导体界面工程的控制和应用。此外，基于较早提出和建立的压电电子学的概念和理论，作者大胆创新地提出了弯曲电子学的新概念。

创新研究

3.1

对称半导体中的挠曲电效应

图3。中心对称半导体弯曲行为的实验和理论分析

图片来演：Nat. Nanotechnol.

为了证明中心对称半导体尤其是第一代半导体Si是否具有屈电效应，研究团队基于原子探针平台搭建了一个机电耦合实验平台。通过严谨的实验数据和理论模拟分析，团队发现Si等半导体在应力梯度下确实存在屈电效应。

如图3所示依次为原子力探针在半导体表面施加梯度应力作用挠曲电场的方向、非均匀应力作用下材料形变弯曲导致的电极化也即挠曲电电场产生的原理以及实验结果和理论模拟分析。实验和理论分析结果均证实了中心对称半导体中挠曲电效应的存在。此外，作者还进一步验证了TiO2、NSTO等半导体中的挠曲电效应，进一步地证实了挠曲电效应在中心对称半导体中存在的普遍性。

3.2

挠曲电效应调控金属-半导体界面工程

弯曲效应是不均匀变形和极化之间的双向耦合，几乎存在于所有介质材料中。那么，金属-半导体的界面工程应用能否像CMOS中的栅极电压一样利用柔性电效应来实现呢？

基于上述想法，团队制备了金属-半导体器件并在力电耦合的原子力探针平台上进行了实验。通过实验获得的数据分析、理论模拟并结合作者以往基于压电效应调控金属-半导体界面的实验和理论分析经验，作者成功地实现了这一构想。

从图4i右侧示意图可以看出，柔性电效应产生的局部极化电荷对界面处自由载流子的浓度和分布有实质性影响，有效调节界面或结区的肖特基势垒高度和宽度，从而调节器件中载流子的输运特性。弯曲效应利用内部接口控制代替CMOS的外部沟道控制，即栅极电压控制，创新性地利用机械信号直接产生栅极电压控制信号。

图4。弯曲电场控制金属-半导体界面载流子输运的实验和理论分析

图片来演：Nat. Nanotechnol.

3.3

压电电子学激发的挠曲电电子学

弯曲效应作为一种特殊的力电耦合效应，不受材料对称性、居里温度和尺寸的限制，适用于几乎任何类型的无机半导体材料。因此，将弯曲效应的应用扩展到第一代和第二代半导体，如硅、锗和GaAs，具有重要的意义和广阔的应用前景。

通过上文的实验和理论研究分析发现，其原理与压电电子学的原理相似，均是利用金属-半导体界面附近的电极化电荷作为门电压有效地调控界面肖特基势垒，从而控制界面处载流子的输运特性。

有趣的是，压电效应是材料表面界面的极化，而柔性电效应是材料表面界面甚至体的极化。数学上描述它们之间的对应关系，可以简单地描述为微分和积分的关系。在此基础上，作者围绕压电电子学的概念，提出了一个新的物理概念——柔性电子学。