“双模”压电门控薄膜晶体管的工作机制

随着物联网（IoT）和“工业4.0”的兴起，利用压电材料制作紧凑、节能的力度传感器吸引了广泛关注。压电电子学已成为一项新的技术前沿，在土木工程结构健康监测以及人机交互界面等领域得到了应用。

压电式力度传感器，通常由应变诱导的“肖特基势垒高度（SBH）调制”，或由在诱导压电场中重新分配电荷载流子的“压电门控效应”控制。然而，虽然基于SBH的器件已经得到了很好的探索，但基于压电门控的器件仍然相对较少被了解。这限制了压电门控晶体管的制造。

据麦姆斯咨询报道，近期在Nano Energy期刊上发表的一项新研究中，台湾国立成功大学（National Cheng Kung University， NCKU）的研究人员首次报道了一种“双模”压电门控薄膜晶体管（PGTFT），并提供了解释其工作机制的分析模型。这种PGTFT在两种模式（即耗尽和积累）之间表现出了前所未有的工作性能，实现了创纪录的应变灵敏度因数（电流相对变化与机械应变的比率）2780，展现了极高的灵敏度。

“仅依赖压电门控效应的PGTFT，对于开发先进压电器件至关重要。但是，迄今为止报道的大多数PGTFT通过压电场诱发的SBH调制显示出不明显的压电门控效应，并且只能检测一维应变。”该研究的通讯作者刘全璞教授表示。

两端用电极固定在柔性基板上的压电器件的工作机理

在他们的这项研究中，由于氧化锌（ZnO）的多功能压电和半导体特性，研究人员利用氧化锌来制造这种薄膜晶体管。通过改变制备过程中使用的气体，可以控制ZnO薄膜中的载流子浓度。然后对薄膜进行充分表征，并用于制备两种不同的PGTFT配置。

该研究团队通过对PGTFT施加应变来测试它们的电流-电压特性，并对结果进行分析和数值模拟。此外，他们还探索了改变载流子浓度对PGTFT工作模式的影响，以衡量压电门控效应的影响。

研究小组发现，应变增加会降低顶部PGTFT电极的电流，但会增加底部电极的电流。这是由于电子在力的作用下从顶部运动到底部，在顶部耗尽，在底部形成电子积累。这反过来影响了输出电流，并揭示了压电门控效应和压阻效应的共存，其中压电门控效应占据主导。

此外，该团队通过实验和分析表明，应变灵敏度因数对载流子浓度高度敏感，表现为在他们的设计中创纪录的提高了44%。

刘教授说：“我们提出的分析模型完美地解释了PGTFT的工作原理，实验和模拟结果一致。这些发现将为多维应变传感PGTFT开发和应用铺平道路。”

这一研究成果有望构建紧凑、经济高效且能耗更低的新型人机交互界面。

审核编辑：彭静