自石墨烯材料发现以来，具有类似结构的二维（2D）层状纳米材料在各个研究领域引起了更广泛的关注。2D过渡金属硫化物（TMDCs）的光学、电学、力学和催化性能的相关研究仍处于初步阶段，直到近年来取得重大突破。TMDCs包含44种能够形成稳定2D结构的化合物，包括金属（NbTe、TaTe等）、半导体（MoS、MoSe、WS等）和超导体（NbS、NbSe、TaS等）。与Gr类似，TMDCs是可以通过剥离来获得单层结构的层状材料。其中，MoS2在电子和光电子领域具有巨大的潜在应用，是研究最深入的材料；而其他2D材料，如MXene、六方氮化硼（h-BN）和主族金属二硫化物（SnSe、SnS、ZnS等），由于其优异的性能也吸引了科研人员广泛的兴趣。近几年，2D材料由于其在光电、光电探测器、智能传感器和神经形态器件中的巨大潜力而被广泛应用于场效应晶体管（FET），而且2D材料电子器件在室温下具有优异的输运特性，是未来半导体工业发展的强有力候选。摩擦纳米发电机（TENG）的发明，为从人体或外部环境中收集能量并给便携式电子设备和微纳器件供电提供了一种非常有效的手段。通过将2D材料晶体管与TENG集成构建二维材料摩擦电晶体管，感应的摩擦电势可以很好地调节半导体沟道中载流子的高效输运特性。二维材料摩擦电晶体管等新型摩擦电子器件的兴起，为可穿戴智能传感器、主动式人机交互及多模态人工神经突触提供了新的科学和技术手段。
近日，中科院北京纳米能源所王中林院士和孙其君研究员研究团队详细研究了二维材料摩擦电晶体管（2D tribotronic transistors）的最新发展。首先，介绍了典型2D材料的电学和光电特性。然后，结合热离子发射、摩擦电隧穿和原子力显微镜探针扫描的方法，讨论了微观/纳米级摩擦电调制2D材料电学特性的机理，这对研究摩擦起电效应的潜在机制也具有重要意义。随后，该研究详细讨论了通过TENG机械位移和摩擦电势对2D材料电学特性的宏观调制特性，分别探究了二维材料摩擦电晶体管在智能传感、逻辑器件、存储器件和人工突触等方面的重要应用。最后，讨论了二维材料摩擦电晶体管的所面临的挑战及其应用前景。该成果以“2D tribotronic transistors”为题近日发表在期刊《Journal of Physics: Energy》上，DOI: 10.1088/2515-7655/ac9f6c。
图文导读
图2：二维摩擦电子FET的发展过程和研究现状。(a) 半导体三极管的示意图。(b) 首次提出的摩擦纳米发电机的结构。(c) 耗尽模式下摩擦电晶体管的结构。(d) MoS2摩擦电光电晶体管的示意图。(e) 由n型MoS2和p型BP晶体管组成的摩擦电可调谐双栅逻辑器件的示意图。(f) 由编织结构TENG和纤维状OECT组成的纤维结构摩擦电化学晶体管示意图。(g) 接触起电激活人工传入神经的示意图。(h) 基于Gr/MoS2异质结的机械-光电多模态人工突触示意图。
图 3：典型2D材料的新奇特性。(a)- (i) 2D GaX的晶体结构。(ii) Perdew-Burke-Ernzerhof能级的GaX能带结构 (b)-(i) BP的晶体结构。(ii) 典型2D材料的电子带隙。(c)-(i) h-BN的晶体结构。(ii) 2H-MX2的压电性能趋势，其中M=Mo或W，X=S、Se或Te。(d) 单层MoS2的压电器件。(ii) MoS2薄片的压电输出信号随原子层的数量（n）而变化。
图4：摩擦电晶体管的工作机制。(a)- (i) 耦合摩擦电晶体管的初始状态。（ii）–（v）FET栅极电压随TENG摩擦层之间位移的变化。（vi）在正栅极电压下FET中的金属绝缘体半导体电容器的能带图。（b） 摩擦电MoS2 FET的工作机理。（i）–（iii）初始分离距离后摩擦电晶体管的工作机制。底部是摩擦电晶体三种工作状态的能带图：积累模式、平带模式和耗尽模式。
图5：二维材料摩擦电晶体管的微观尺度摩擦电效应和机制。（a）-（i）AFM探针温度控制模块的装置。（ii）温度对尖端和SiO2样品之间转移电荷密度的影响。（b）-（i）通过Gr与AFM-Pt探针的摩擦实现隧穿摩擦起电。（ii）隧穿摩擦起电产生的电势差；在72小时后，？VTT也可以保存得很好。（c）-（i）纳米尺度摩擦电晶体管的示意图。（ii）–（iii）纳米尺度摩擦电晶体管的工作原理。（iv）具有不同接触周期的Id-Vd的输出特性。
图6：二维材料摩擦电晶体管的宏观摩擦电调制效应和机理。(a)- (i) 基于TENG和传统Si基n沟道MOSFET（NMOS）的器件示意图。（ii）ID？VD在0.5至3.0 μm的不同d值下，Qg为1.0 fC的摩擦电势调控NMOS的VD输出特性。（b）-（i）MoS2摩擦电晶体管结构示意图。（ii）周期位移下产生的TENG输出电压（相当于施加的VG）示意图。（c）-（i）通过质子导体的摩擦电晶体管示意图。顶部插图：TENG组件的放大结构。底部插图：聚苯乙烯磺酸（PSSH）的化学结构。（ii）根据周期位移的TENG输出电压（相当于施加的VG）。（d） -（i）由编织结构TENG和纤维状OECT组成的纤维结构摩擦电化学晶体管示意图。（ii）对数范围内的ID和IG与纤维状OECT的VG。
图11：二维材料摩擦电晶体管的总结和展望。
结论：文章综述了典型2D材料的电学和光电特性。同时，详细介绍了摩擦电晶体管的微观和宏观调制原理。此外，总结了二维材料摩擦电晶体管在智能传感器、逻辑器件、存储器件和人工突触等不同领域的应用。2D材料表现出丰富的价带结构和可调厚度的优异性能，在各种功能摩擦电晶体管中显示出巨大的潜力。同时，摩擦电势调节可以取代FET的常规栅极电压，并有效地调控半导体沟道中的载流子传输特性。经过多年的研究，2D FET得到了快速发展。2D材料家族的成员将随着逐渐出现的新型2D半导体材料而不断扩大，这为二维材料摩擦电晶体管的快速发展提供了丰富的研究热点和巨大发展应用潜力。
展望：摩擦电晶体管可以以多种不同类型2D材料为研究对象，来提高器件性能并扩大应用范围，这也是2D材料在摩擦电晶体管中不断拓展和发展的一个重要研究方向。尽管目前发现的许多2D材料具有优异的性能，但其实际应用仍受到环境稳定性差、器件制造后性能不可持续和成本高等缺点的限制。因此，应选择合适的2D材料作为晶体管的沟道材料，从而实现期望获得的性能。2D材料的晶格常数、带隙、载流子速度饱和度和迁移率可以作为选择2D材料的重要参数。在确定器件的适当沟道材料后，更有必要考虑2D材料的制备方法、品质因数和器件的集成，以提高二维材料摩擦电晶体管的整体性能。该论文从以下几个方面对二维材料摩擦电晶体管的发展提出了更详细的建议。
2D材料的选择：原子级薄的2D材料堆叠在一起形成范德华异质结，可以实现不同于普通结构的优异性能。因此，我们建议通过2D材料堆叠形成的异质结来构建摩擦电晶体管的沟道材料，以获得更好的器件特性。在2D半导体材料中，晶格常数的减小通常导致更大的带隙。例如，TMDCs中的带隙随着晶格常数MoS2>MoSe2>MoTe2的增加趋势逐渐减小。这一趋势可以帮助研究学者从2D材料库中快速选择所需的带隙和特性，以制造相应的摩擦电晶体管。载流子迁移率的提高可以优化半导体材料和器件结构的潜在性能，以提高半导体器件的性能。因此在选择2D材料时，载流子迁移率也是其中很重要的一个考虑方面。此外，较小的有效质量通常导致较高的载流子迁移率以及较小的带隙，在选择合适的2D材料时应考虑适当的平衡，这在提高摩擦电晶体管的整体输出性能方面会发挥重要作用。
器件性能的提升：二维材料摩擦电晶体管由基于2D材料的FET和TENG组成，因此，非常有必要向器件小型化和阵列化发展。其次，2D材料的制备过程对于提高器件性能非常重要。现有的制备2D材料的方法例如机械剥离法以及CVD方法等既有优点也有缺点，因此，需要根据需求进行选择。TENG产生的摩擦电势，在二维材料摩擦电晶体管中起着非常重要的作用。匹配的封装技术可以防止TENG以及器件整体受到环境影响，并可以提高二维材料摩擦电晶体管在日常环境应用中的稳定性。
应用的拓展：二维材料摩擦电晶体管已被证明可以应用于不同的方向，例如智能传感器、存储器、逻辑器件和人工突触。考虑到2D FET在材料合成、器件制造等方面的令人振奋的研究进展，摩擦电势调制的2D FET可以进一步发展并用作更加智能化的环境信息感知传感器、用于IoTs中智能家居控制、健康监测和人机交互可穿戴电子设备。
来源：高分子科学前沿
