Small Science:纳米传感器中的压电光电子学效应

Small Science近日发表了来自北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员团队的综述论文探讨了压电光电子学效应在纳米传感器领域的研究进展。压电光电子学是王中林院士首次提出并开创的一个新学术领域。压电光电子学可以利用压电电场来调控载流子的产生、传输、分离和复合,在发光二极管、光探测和太阳能电池等领域中都有广泛的应用。本文综述了该效应在光电探测、触觉传感等方面的最新研究和未来展望。

压电光电子学效应是纤锌矿半导体微纳米材料(如ZnO、GaN和ZnS)中的压电效应、半导体效应和光电效应三者的耦合。当压电材料制备的纳米光电器件在受到应力作用时,纳米线两端产生的压电电荷,并形成压电势。该压电势可以调节金属-半导体界面处的肖特基势垒高度(SBH)或者半导体异质结处的能带结构,从而调控载流子在界面处的分离、输运和复合等过程。因此,压电光电子学效应被认为是除了传统研究中选择合适材料、优化材料生长质量、优化器件的结构外,提高光电器件效率的有效途径。近年来,关于压电光电子学效应提升光电器件性能的研究报道很多,如纳米光伏器件、纳米发光器件(LED)、纳米晶体管器件等。在这些光电器件中,纳米传感器因其在智能电子、信息、物联网等领域的重要作用而成为研究热点之一。一方面,传统的纳米传感器如光电探测器,可以通过在外部应力作用下的异质结区压电光电效应来调节载流子传输过程,从而提高效率。另一方面,压电光电子效应也是光电纳米器件中应变-光学-电学特性三者之间的耦合,为压力、应变、运动等新型触觉传感器的设计和制造提供了一条新的途径。

近日,北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员等撰写综述详细介绍了压电光电子学效应在纳米传感器领域的研究进展。文章首先系统总结了利用压电光电子学效应提高纳米光电探测器效率的一系列研究成果。压电光电子学效应提高器件性能的核心是利用纳米半导体中金属-半导体(M-S)肖特基接触或p-n异质结界面附近的应变产生的压电势来调节电荷传输/分离/复合过程。文章详细的介绍这两种不同界面接触的纳米光电探测器的理论与应用方面的研究,包括基于传统材料或新材料(二维材料和钙钛矿材料)的纳米光电传感器。其次,文章介绍了一些基于压电光电子学效应的触觉传感器。传统的触觉(压力/形变)传感器主要由弹性聚合物或有机材料制成,传感原理是基于压力下电容或电阻的变化,设计具有高空间分辨率和高集成度的传感器阵列十分困难,极大的限制了其发展与应用。压电光电子学效应可以将机械应变转化为电信号和光信号,为构筑新原理触觉传感器的研制提供了可能。在基于压电纳米线阵列的触觉传感器中,阵列中的每个纳米器件(通常为纳米或亚微米级)被视为一个触觉传感像素点,以电信号或者光信号响应压力变化,这种器件的最高空间分辨率可以比人类皮肤(约50μm)高一个数量级。文章的最后,作者简介了压电光电子学效应的最新研究进展——挠曲电效应,并且展望了其在中心对称纳米材料传感器领域的研究方向与应用潜力。该论文在线发表在Small Science上。(DOI:10.1002/smsc.202000060)