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[NSR Review] 王中林——压电电子学和压电光电子学:原理与应用

已有 4171 次阅读 2014-3-17 13:47 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流|关键词:压电电子学,压电光电子学| 压电电子学, 压电光电子学

Piezotronics and piezo-phototronics—fundamentals and applications

http://nsr.oxfordjournals.org/content/1/1/62.abstract    HOT! 

由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士担任通讯作者,武文倬博士为共同作者的综述文章Piezotronics and piezo-phototronics—fundamentals and applications(译名:压电电子学和压电光电子学:原理与应用)已在National Science Review(NSR)2014年3月份的创刊号上发表。

这篇综述文章详细阐述了压电电子学和压电光电子学效应的基本物理原理,并重点介绍了这两个新兴领域在人机交互、主动式柔性电子器件、传感、能源采集、生物医疗等应用领域的最新进展。

实现和推动消费性电子产品、人造皮肤、机器人、生物医疗和可穿戴式科技等新兴应用需要具有功能可调控的电子器件的设计和开发。电子器件和周围环境或寄主(例如人体)中的激励信号之间主动自适应式的交互在这些新兴应用中起着至关重要的作用。广泛存在于环境中的机械信号则为调控微纳系统中的电器元件提供了重要和丰富的激励来源。然而直接利用传统硅基电子器件去交互响应机械信号却非常困难,并且反过来利用机械信号来直接控制硅基器件也十分繁琐。近些年来,对于具有铅锌矿结构的氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等压电半导体材料的深入研究表明,当这类压电半导体材料受到外加应力时,由于晶体中离子的极化产生的极化电荷可以有效改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质。基于这种现象,王中林教授于2007和2010年首次在国际上提出压电电子学和压电光电子学两个原创的概念并形成了相应的研究领域。压电电子学效应是利用应变引起的界面极化电荷调制界面处能带结构并进而有效地调节和控制界面或结区的载流子输运过程的一个物理效应。压电极化电荷导致的能带结构变化还可以有效地改变和调制载流子在光电过程中的产生、输运、分离或复合,这就是压电光电子学效应。

基于上述物理效应,王中林教授课题组围绕压电电子学和压电光电子学这两个原创概念做了大量而又深入的研究工作,包括:压电场效应晶体管和压电二极管,基于单根氧化锌压电细线的应变传感器,基于压电电子学效应的应变门控晶体管(strain-gated transistor),压电电子学逻辑运算和压电调制阻性开关器件。利用垂直生长的纳米压电材料,王中林研究组进一步研制出大规模三维压电电子学晶体管阵列,首次实现利用纳米压电材料受应力/应变作用而产生的压电电势对制得的压电电子学晶体管中的载流子输运进行有效调控以实现主动自适应式的压力传感成像的柔软型芯片。压电电子学效应也可被用来调节和显著改善基于肖特基结构的传感器的灵敏度。另一方面,利用压电电场对光生载流子产生、分离、传输和复合等过程的有效调控,压电光电子学效应在光电池、太阳能电池、发光二极管以及光探测器领域中的应用也得到了相应的研究,包括:实现用光、力二维对氧化锌纳米线的电输运性质的耦合调控和以外加应力优化金属-ZnO光电池的输出,显著提高基于单根单晶外延n-CdS(core)/p-Cu2S(shell)芯-壳结构纳米线的太阳能电池的转换效率,显著提高光探测的灵敏度。王中林研究组最近垂直生长的纳米压电材料阵列研制出大规模发光二极管阵列,并且利用压电光电子学效应首次实现利用外界应力/应变改变纳米压电发光二极管发光强度的过程;首次研制出主动自适应式的、高分辨率的、以光电信号为媒介、并行处理的压力传感成像芯片系统。

1   压电电子学和压电光电子学的物理过程和潜在应用领域

利用机械应变产生的压电极化电荷来调控载流子的输运过程,压电电子学和压电光电子学为实现人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供了全新的思路和途径。由于这种新的物理效应所引起的可能的全新基础现象和前所未有的器件应用,压电电子学和压电光电子学已经成为国际上纳米科学技术研究的前沿和热点,引起了国际学术界和企业界的广泛关注。2009年,美国著名的《麻省理工学院技术综述》期刊把压电电子学评选为十大新兴科技之一。2013年美国材料学会春季会议已经单独设立一个以压电电子学作为主题的分会。

 

引文列表:

[1]  Wang ZL. Progress in piezotronics and piezo-phototronics. Adv. Mater., 2012, 24: 4632-4646
[2]  Wang ZL. Piezotronics and piezo-phototronics.  Springer, 2013
[3]  Zhou YS, Wang K, Han WH, Rai SC, Zhang Y, et al. Vertically aligned cdse nanowire arrays for energy harvesting and piezotronic devices. ACS Nano, 2012, 6: 6478-6482
[4]  Wu WZ, Wen XN, Wang ZL. Taxel-addressable matrix of vertical-nanowire piezotronic transistors for active and adaptive tactile imaging. Science, 2013, 340: 952-957
[5]  Yu R, Pan C, Chen J, Zhu G, Wang ZL. Enhanced performance of a zno nanowire-based self-powered glucose sensor by piezotronic effect. Adv. Funct. Mater., 2013: n/a-n/a
[6]  Pan CF, Yu RM, Niu SM, Zhu G, Wang ZL. Piezotronic effect on the sensitivity and signal level of schottky contacted proactive micro/nanowire nanosensors. ACS Nano, 2013, 7: 1803-1810
[7]  Yu RM, Pan CF, Wang ZL. High performance of zno nanowire protein sensors enhanced by the piezotronic effect. Energ Environ Sci, 2013, 6: 494-499
[8]  Niu S, Hu Y, Wen X, Zhou Y, Zhang F, et al. Enhanced performance of flexible zno nanowire based room-temperature oxygen sensors by piezotronic effect. Adv. Mater., 2013, 25: 3701-3706
[9]  Pan CF, Dong L, Zhu G, Niu SM, Yu RM, et al. High-resolution electroluminescent imaging of pressure distribution using a piezoelectric nanowire led array. Nat. Photonics, 2013, 7: 752-758

 

通讯作者简介:王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授,工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。

王教授是中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士,曾获美国显微镜学会1999年巴顿奖章﹐佐治亚理工学院20002005年杰出研究奖,2005Sigma Xi 学会持续研究奖,2001S.T.Li奖金(美国)2009年美国陶瓷学会Purdy奖,2011年美国材料学会奖章(MRS Medal),美国自然科学基金会CAREER基金﹐中国首批国家自然科学基金会海外优秀青年科学家基金,为中国科学院海外杰出学者基金获得者。他是英国Manchester大学名誉教授,教育部“长江”特聘讲座教授,台湾国立清华大学晶元讲座教授和名誉讲座教授。同时也是是科学院半导体所、中山大学等国内高校的名誉教授。他成功地组织过二十次学术会议并担任主席。王教授也是美国物理学会、美国科学促进会、美国材料学会等组织fellow

王教授已在国际一流刊物上发表了700篇期刊论文(其中十篇发表在美国《科学》,三篇发表在《自然》期刊上;六篇发表在《自然》子刊上),45篇书章节,36项专利,5本专著和20余本编辑书籍和会议文集。已被邀请做过700多次学术讲演和大会特邀报告。其学术论文已被引用48,000次以上,论文被引用的H因子(h-index)105,为世界上材料和纳米技术领域论文引用次数最多的前五位作者之一,在当今世界最杰出的科学家排名榜上第25 (http://superstarsofscience.com/scientists)

 

综述原文详见National Science Review网站:

REVIEWS-PHYSICS

Zhong Lin Wang and Wenzhuo Wu

Piezotronics and piezo-phototronics: fundamentals and applications

Natl Sci Rev First published online: December 12, 2013 

doi:10.1093/nsr/nwt002

(29 pages)

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