兩種不同材料接觸分離可產(chǎn)生靜電荷并引發(fā)一個(gè)摩擦靜電場(chǎng)，該摩擦電場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)自由電子在外部負(fù)載流通，得到脈沖輸出信號(hào)。一方面，摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 就是利用了這種脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)了將外部環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，近期在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了許多突破性進(jìn)展，包括從多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)獲取能源、自驅(qū)動(dòng)機(jī)械感應(yīng)系統(tǒng)、高靈敏質(zhì)譜分析以及常壓下機(jī)械觸發(fā)的等離子體等。另一方面，當(dāng)TENG產(chǎn)生的靜電場(chǎng)與電容性器件耦合時(shí) (例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，半導(dǎo)體溝道中載流子的傳輸特性可以被摩擦電勢(shì)有效調(diào)制，也就是摩擦電子學(xué)晶體管（tribotronic transistor）。為了開(kāi)發(fā)更高性能主動(dòng)式摩擦電子學(xué)晶體管，針對(duì)TENG與半導(dǎo)體器件耦合的基礎(chǔ)物性研究和相關(guān)工藝工程迫切地需要更深入的探索。利用雙柵結(jié)構(gòu)電容耦合，使二硫化鉬 (MoS2) 摩擦電子學(xué)晶體管電流開(kāi)關(guān)比超過(guò)六個(gè)數(shù)量級(jí) (106)。平面設(shè)計(jì)以及利用直接接觸模式，同樣簡(jiǎn)化了石墨烯摩擦電子學(xué)機(jī)械傳感器件。然而，鑒于之前復(fù)雜的加工工藝和較為普通的電學(xué)性能，摩擦電子學(xué)仍有巨大的研究空間。
近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫其君和王中林研究團(tuán)隊(duì)基于摩擦電子學(xué)的原理，制備了一種新型的二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管 (triboiontronic transistor)，該器件通過(guò)工作在接觸分離模式下的TENG產(chǎn)生的摩擦電勢(shì)與離子調(diào)控的二硫化鉬晶體管耦合，連接了摩擦電勢(shì)調(diào)制特性以及離子調(diào)控的半導(dǎo)體特性。摩擦電勢(shì)在離子凝膠和二硫化鉬半導(dǎo)體界面處可誘導(dǎo)形成超高的雙電層電容，可高效率調(diào)制溝道中載流子傳輸性能。不需要額外柵壓，二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管可主動(dòng)式操控，器件表現(xiàn)低的閾值 (75 um) 和陡峭的開(kāi)關(guān)特性 (20 um/dec)。通過(guò)預(yù)設(shè)耦合與晶體管的摩擦電勢(shì)的初始值，摩擦離子電子學(xué)晶體管可以操作在兩個(gè)工作模式下，增強(qiáng)模式和耗盡模式，實(shí)現(xiàn)更高的電流開(kāi)關(guān)比 (107) 以及超低的關(guān)態(tài)電流 (0.1 pA)。文章展示了二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)反相器，反相器對(duì)應(yīng)增益 (8.3 V/mm)，并且具有較低的功耗以及優(yōu)異的穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作展現(xiàn)了一個(gè)通過(guò)外部機(jī)械指令來(lái)高效率調(diào)制二維材料半導(dǎo)體器件以及邏輯電路的低功耗主動(dòng)式以及普適的方法，在人機(jī)交互、電子皮膚、智能傳感以及其他可穿戴器件等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。該研究成果以Triboiontronic Transistor of MoS2 為題發(fā)表于近期的《先進(jìn)材料》（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201806905）上。
圖：(a-c) 二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管的工作機(jī)制以及三個(gè)狀態(tài)下的能帶示意圖(增強(qiáng)模式，平帶，耗盡模式)；(d) 兩個(gè)工作模式下的二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管輸出特性曲線以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線；(e) 電流開(kāi)關(guān)比超過(guò)七個(gè)數(shù)量級(jí)；(f) 對(duì)應(yīng)肖特基勢(shì)壘高度隨摩擦距離的變化，插圖是對(duì)應(yīng)能帶解釋；(g-i) 二硫化鉬摩擦離子電子學(xué)晶體管實(shí)時(shí)測(cè)試性能。
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