Advanced Materials:半导体滑动界面的摩擦伏特效应

摩擦纳米发电机(TENG)能够直接将机械能转化为电能,在能源收集、自驱动传感等领域受到了广泛的关注。传统的TENG一般使用金属/绝缘体作为摩擦层,电学输出一般为交流输出。近年来报道了一种使用半导体材料摩擦起电的TENG,这种新型的TENG能够不借助整流桥或整流结构而产生稳定的直流输出,然而其摩擦起电的机理依然不清楚。与金属/绝缘体不同,P/N型半导体接触时能够在接触界面上形成P/N结内建电场。基于此,研究团队提出摩擦伏特效应来解释半导体之间的摩擦起电行为(Mater. Today 30, 34-51, 2019),认为P/N半导体之间摩擦电流的产生类似于光生伏特效应。在摩擦伏特效应中,P型半导体与N型半导体接触时,界面电子转移和原子间键合作用会释放能量,激发半导体中的电子-空穴对。随后,电子-空穴对在P/N结内建电场的作用下分离,电子和空穴分别流向N型半导体和P型半导体,形成稳定的直流电输出。

北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队报道了基于导电原子力显微镜(C-AFM)从微观尺度研究了不同掺杂浓度的半导体硅与金刚石半导体探针滑动摩擦过程中的电子输运过程,验证了半导体滑动界面的摩擦伏特效应。相关成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000928)上。

根据摩擦伏特效应的原理,电子-空穴对的激发效率很大程度上取决于半导体之间的相互键合作用和半导体的表面态密度。作者测试了不同掺杂浓度的硅与N型金刚石探针在不同滑动载荷下的电流输出。发现N型金刚石探针与P型硅滑动摩擦时,摩擦电流为正(从P型硅流向N型金刚石探针)。并且,随着滑动载荷的增加,峰值摩擦电流密度也随之增大。实验结果表明,电子-空穴对的激发效率与半导体之间的互相键合作用有着密切的联系。进一步,他们通过ICP刻蚀在硅表面引入缺陷或掺杂,增加硅的表面态密度。发现ICP刻蚀后的半导体硅与金刚石半导体探针之间的摩擦电流增加。这表明,随着半导体表面态的增加,摩擦伏特效应中电子-空穴对的激发效率能够有效地增大,形成更大的摩擦电流。

光生伏特效应不仅能够在半导体/半导体的界面中产生,也能够在金属/半导体的肖特基势垒中产生。同样地,摩擦伏特效应也能够在具有肖特基势垒的金属/半导体界面摩擦过程中产生。作者测量了铂探针与不同掺杂浓度硅片的摩擦电流,发现探针与P型硅滑动摩擦时,摩擦电流为正,与N型硅摩擦时电流为负,方向与摩擦伏特效应一致,表明了摩擦伏特效应也存在于肖特基势垒界面中。这一研究证实了摩擦伏特效应,同时提供了一种基于摩擦伏特效应提高摩擦纳米发电机电学输出的方法。