压电电子学与量子力学的结合：压电电子学隧道结

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在经典情况下，能量小于势垒高度的载流子将被势垒完全限制或者约束。而根据量子力学理论，载流子的波动特性不可忽视。当势垒足够薄时，载流子将有一定的几率隧穿通过势垒。隧穿几率与势垒形状和势垒两侧的载流子浓度呈现指数关系，这使得隧道结通常具有较大的隧穿电阻开关比（可高达103~105）。同时，由于隧穿现象是一种多数载流子效应，载流子穿过势垒的隧穿时间不受常规渡越时间的支配，而受单位时间量子跃迁几率的支配，因此隧道结通常具有较快的响应速率。基于这些优点，量子隧穿器件通常同时具有高开关比和快速响应的优点。Esaki二极管、约瑟夫森超导结（STJ）、磁隧道结（MTJ）和最近的铁电隧道结（FTJ）是众所周知的示例，受到了广泛的关注。不过，到目前为止，大多数工作都集中在利用电场或磁场来直接调控势垒高度或者势垒两侧的载流子许可态，从而实现对隧道结电输运特性的调控。这种调节机制实现了高频振荡器、非易失性存储器和磁场传感器等十分广泛的应用。截至目前，利用机械驱动力来对隧道结进行调控的调剂机制尚未出现。而电信号和机械运动之间的自适应和无缝连接对于人机界面、智能皮肤和机器人等技术至关重要。倘若能够开发出应力调控的隧道结，结合隧道结自身的优异性能，这将在人机界面、电子皮肤等领域具有重要的意义。因此，设计一种全新的方案以实现机械驱动力对量子隧穿效应的调控具有重大的价值。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（点击查看介绍）团队和兰州大学秦勇教授（点击查看介绍）团队共同开发了一种具有金属/绝缘体/压电半导体异质结构的新型压电电子学隧道结（PTJ）。这种隧道结的势垒高度和宽度能够同时被界面处的压电极化电荷调控，实现了较高的灵敏度 (~5.59 mV MPa-1)、较大的开关电流比 (>105) 和较快的响应速率 (~4.38 ms)。同时该工作也系统地研究了基于不同厚度绝缘层的压电电子学隧道结的性能。这项研究不仅深入阐述了压电电子学效应对量子隧穿效应的调控机理，而且还展示了压电电子学隧道结在力学传感、人机界面和人工智能技术的应用潜力，同时也为下一代的电子学提供了新的研究思路。

图1. 压电电子学调控量子隧穿效应的机理

图2. 压电电子学隧道结应用于触觉成像

这一研究成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是西安电子科技大学刘书海博士研究生、中科院纳米能源所王龙飞博士和新加坡科技与设计大学冯晓龙博士研究生。

Piezotronic Tunneling Junction Gated by Mechanical Stimuli

Shuhai Liu, Longfei Wang, Xiaolong Feng, Jinmei Liu, Yong Qin*, Zhong Lin Wang*

Adv. Mater., 2019, 31, 1905436, DOI: 10.1002/adma.201905436

秦勇教授简介

秦勇，教育部长江学者特聘教授，首批中组部“万人计划”青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，霍英东教育基金获得者，教育部新世纪优秀人才，甘肃省“五四青年奖章”获得者。担任中国青年科技工作者协会第五届理事会常务理事、中国材料研究学会理事、中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国材料研究学会环境材料分会理事、全国半导体材料与设备标准化技术委员会微光刻分委会委员、科技部863 项目评审专家。主要从事纳米能源技术、功能纳米器件与自供电纳米系统领域的研究，在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, ACS Nano, Nano letter 等学术期刊发表论文70余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/77254

王中林院士简介

王中林,中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，加拿大工程院院士。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电技术及生物技术等方面均作出了原创性重大贡献。发明了压电纳米发电机、摩擦纳米发电机，并且首先提出了压电电子学、压电光电子学和自驱动系统的概念。荣获1999年美国显微学会巴顿奖章，2009年美国陶瓷学会普帝(Purdy)奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)，2012年美国陶瓷学会爱德华∙奥顿纪念奖(Edward Orton Memorial)，美国化学学会纳米讲座奖，2013年中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年美国物理学会詹姆斯∙马克顾瓦迪(James C. McGroddy)新材料奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年欧洲NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖，2015年汤森路透引文桂冠奖，2016年美国东南地区大学联盟杰出科学家奖，2016年欧洲先进材料奖，2018年埃尼奖，2019年爱因斯坦世界科技奖。美国物理学会fellow，美国科学发展协会fellow,美国材料学会fellow，美国显微学会fellow,美国陶瓷学会fellow。在国际一流刊物发表期刊论文1500余篇，获授权专利200余项，出版专著7部，编辑书籍和会议论文集20余部。受邀做过900余次学术讲演和大会特邀报告。h因子(h-index)233，在Google Scholar公布的最新纳米技术与纳米科学专家全球排名中（截止2017年11月），位居世界第1。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

https://www.x-mol.com/university/faculty/48479