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中國科學院北京納米能源與系統研究所Zhong Lin Wang和Qijun Sun課題組--基于范德華異質結構的摩擦電垂直場效應晶體管
      石墨烯引起了人們對下一代電子產品的極大興趣。然而,自然帶隙的缺乏限制了基于石墨烯的晶體管的電流開/關比。二維異質結構的垂直集成為解決這一挑戰提供了一種有前景的方法,可實現具有大開/關比的高電流密度垂直場效應晶體管(VFET)。這里,提出了一種具有垂直堆疊石墨烯/MoS2異質結構的摩擦電勢供電VFET和與柵極電介質耦合的滑模摩擦納米發電機(TENG)。 Tribotronic VFET 具有垂直方向超短溝道長度,表現出出色的電流驅動能力,具有超高導通電流密度950 A cm-2的和良好的電流開/關比~630,它還展示了整流比超過 102 可重構的二極管特性。溫度依賴性研究首次應用于摩擦電子器件,表明摩擦電勢對 150 meV 的肖特基勢壘高度進行了有效調制。綠色 LED 像素由摩擦電子 VFET 驅動,作為觸覺交互式發光設備的演示。該研究展示了有效的摩擦電勢可調諧晶體管和二極管行為,為各種二維層狀材料在垂直方向上實現功能器件集成,并為下一代電子器件實現三維一體化提供了一種有前途的策略。

 
Fig 1. 示意圖和材料表征。 a)基于范德華異質結構的摩擦電子垂直場效應晶體管(VFET)的示意圖。放大圖是相應的滑模 TENG 與 VFET 的耦合。 b) 垂直堆疊的石墨烯/MoS2/金屬結構的光學圖像(比例尺,10 μm),以及 c) 相應的 AFM 圖像。 d,e)少層MoS2和單層石墨烯的拉曼光譜。 f) 與 FET 耦合的滑模 TENG 的操作機制示意圖。

 
Fig 2. VFET 和摩擦電子 VFET 的室溫電氣特性。 a) 垂直晶體管的 J-VD 輸出特性。背柵電壓從-60 V 變化至 60 V,步長為 20 V。 b) VD = 0.5 V 時器件的 J-VG 傳輸特性。 c) 不同柵極電壓下的整流比,插圖顯示二極管VG = −60 V 時理想因子 ??? = 1.3 的行為。 d) 摩擦電子垂直晶體管的 JVG 輸出特性。 TENG的位移從-8到8毫米變化,步長為2毫米。 e) 摩擦電子器件在 VD = 0.5 和 −0.5 V 時的 J-D 傳輸特性。插圖是摩擦電子垂直晶體管的等效電路圖。 f) 不同 TENG 位移下的整流比,插圖顯示了 D = −8 mm 時理想因子 ??? = 1.25 的二極管行為。上述所有電流均按面積歸一化。 g,h) 產生正(負)摩擦電勢的滑模 TENG 示意圖,以及正漏極偏壓(VD > 0,石墨烯接地)下相應的能帶結構。

 
Fig 3. 石墨烯/MoS2 界面處的肖特基勢壘。 a) 在 200 至 350 K 的不同溫度(D = 0 mm)下測量的摩擦電子垂直晶體管的 J-VD 輸出特性。 b) 示例性地顯示了不同偏壓 VD 下 ln (ID/T2) 與 1000/T 的阿倫尼烏斯圖 (D = 0 mm),以提取偏壓相關斜率 S。 c) 提取的斜率 S 與 VD 線性相關:S(VD) = −q(ΦBVD/n)/???B。插圖表示與施加的偏置電壓為零對應的能帶圖。根據 S0 = S(0) = −qΦB/???B 提取的斜率值,零偏置電壓的肖特基勢壘 ΦB 評估為 27.85 meV. 。 d、e) 在 D = −24 和 24 mm 的不同溫度下測量的摩擦電子垂直晶體管的 JVD 輸出特性。 f) 提取的勢壘高度變化 ΦB 作為 TENG 位移 D 的函數。

 
Fig 4. 由摩擦電子 VFET 驅動的綠色 LED 像素的器件特性。 a) 由 VD 分別為 2.1、2.5 和 2.8 V 的 VFET 驅動的綠色 LED 器件的 ID-VG 圖。 b) 由摩擦電子 VFET 驅動的綠色 LED 器件的 ID-VD 圖,其中 TENG 位移 D 從 -8 毫米變化到 8 毫米,步長為 2 毫米。插圖為等效電路圖. c) 裝置的時域動態測試。插圖是相應的 ID-D 圖。 d)根據TENG位移D和對應的光學圖像對LED像素進行亮度控制。亮度作為 D 步進(從 -8 毫米到 8 毫米)的函數可以很好地區分.
 
      相關研究工作由中國科學院北京納米能源與系統研究所Zhong Lin Wang和Qijun Sun課題組于2024年在線發表在《Advanced Functional Materials》期刊上,Tribotronic Vertical Field-Effect Transistor Based on van der Waals Heterostructures,原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202313210

轉自《石墨烯研究》公眾號


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