高性能应变传感器重要进展
点击蓝字 关注我们 课题基于金属-绝缘体-压电半导体（Ag/HfO2/n-ZnO）接触结构设计了一种高性能的压电电子学隧道结应变传感器（PTSS）。压电调控特性对界面载流子隧穿输运的影响是在超低应变（<0.01%）和较高应变（0.01~0.10%）两个阶段，分别对应于压电主导调控势垒宽度和势垒高度。当给器件施加0.00%-0.10%的应变时，PTSS的输出电信号增加了两个数量级，是Ag/n-ZnO肖特基结应变传感器（SSS）的300.5倍。压电电子学隧道结在传感器领域具有较好的潜力：在0.10%的拉伸应变下，PTSS表现出了具有高电流开关比（478.4）和高应变灵敏度因数（GF）（4.8×10^5）。此工作在器件尺度上实现了高性能的压电电子学隧道结器件，深入地分析了压电电子学效应对隧道效应调控的基本特性，拓展了量子隧穿效应在力学传感中的实际应用。 如图1a所示，正负压电极化电荷可调控隧道结的界面能带。由于C轴方向向右，压缩应变使绝缘体-半导体界面处诱导产生正的压电极化束缚电荷，这不仅降低了势垒高度，还通过减少 n 型半导体表面的多数载流子耗尽降低势垒宽度，使隧道结处于低电阻态。在拉伸应变下，界面产生的负压电极化束缚电荷会同时增加势垒高度和势垒宽度，使电子需要更多的能量通过隧道结。因此，隧道结处于高电阻态。这是应变对隧道结的调控机制。图1 b-e是对器件的结构和纳米线形貌的表征。TEM图像（图1 e）和厚度统计结果（图1 f）证明ZnO纳米线表面沉积的绝缘层厚度大约是1.8 ± 0.3 nm。图1 g-k是对PTSS和SSS的I-V曲线分析。图1 g说明绝缘层的加入增大了器件的势垒和电阻，使器件表现出低电流输出特性。我们可以从图1 h的插图中简单地估计SSS的肖特基势垒高度约为 0.42 eV。此外，由图 1 i中PTSS的I-V曲线，我们绘制得到了ln(I?V-2)与-1/V的函数曲线（图 1 j），以及 ln(I?V-1)与V1/2的函数曲线（图 1 k），得出在低偏置电压和高偏置电压下，PTSS的载流子传输机制分别对应于隧穿和Frankel-Poole发射。这证实了Ag/HfO2/n-ZnO隧道结的成功构建。 Ag/HfO2/n-ZnO PTSS可在拉伸或压缩状态下发生周期性应变（图2 a）。图2 b显示了测试中的电测量系统。在+3 V下，器件从应变0.00%到0.10%，PTSS的输出电流增加了两个数量级（图2 c）,而基于肖特基结的SSS在应变过程中电流变化很小（图2 e）。Ag/HfO2/n-ZnO PTSS的势垒高度变化量与应变是非线性关系（图2 d），SSS的势垒高度改变与应变线性相关（图2 f），说明应变对隧道结和肖特基结的界面调控特性不同。在图2 d中，当拉伸应变从 0.033%提高到 0.10%, 虽然有效 SBH 会继续减小，但其变化幅度要小于应变 0.00%-0.033%范围内，说明载流子的隧穿现象主要发生在小应变下。图2 h对比了PTSS和SSS两种器件的GF值（定义为电流或电阻相对变化与机械应变的比值）。具有隧道结器件的GF值能够达到3.8×105，而肖特基结器件的GF值仅是290，表明与金属-半导体肖特基结相比，隧道结在应变传感器中具有更大的优越性。 PTSS 和 SSS两种器件的“ON”态和“OFF”态电流的统计分布及其直方图（图 4 a）表明，统计电流随拉伸应变的增大而增大，随压缩应变的增大而减小。这一趋势与 PTSS 和 SSS 的 I-V 曲线变化特征一致。虽然 PTSS 的“OFF”态电流比 SSS 的“ON”态电流小很多，但在0.10%的拉伸应变下，PTSS的“ON” 态电流与SSS的“ON” 态电流几乎达到了相同的量级，并且，PTSS 的开关电流是 Ag/n-ZnO SSS 的18.6 倍（图 4 b）。GF 值代表压电器件的应变灵敏度，是应力/应变传感器件的关键性能参数。GF 值越大，代表了器件的力传感性能越好。图4 c-d对比总结了PTSS、SSS 和一些现有的基于ZnO纳米线或纳米带传感器GF值。基于Ag/HfO2/n-ZnO的PTSS与其他传感器相比，压电电子学隧道结应变传感器具有明显的优势，显示了其在应变传感方面的巨大潜力。 总之，我们制备了一种基于压电电子学隧道结（Ag/HfO2/n-ZnO）的宏观器件级应变传感器件，并分别研究了在小应变（<0.01%）和较大应变（0.01~0.10%）下压电电子学效应对载流子隧穿输运的调控机理。由于压电极化电荷对隧道结势垒高度和宽度的并行调控作用，压电电子学隧道结应变传感器在拉伸应变为 0.10%时表现出较高的灵敏度，其中，器件开关电流比为 478.4，应变灵敏度因数GF值高达 4.8×10^5。与传统的基于肖特基接触的应变传感器和现有的基于ZnO纳米线或纳米带的传感器相比，压电电子学隧道结应变传感器具有更大的优势。这项工作实现了压电电子学效应和隧穿效应的深入结合，有利于促进高性能压电电子学器件和应变传感器的发展。 论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-28443-0 （点击底部“阅读原文”即可直达原文） 内容来自电介质Dielectrics 点击下方链接进入JAD期刊征稿启事 https://www.editorialmanager.com 点击下方链接进入JAD公号征稿启事 http://www.JAdvDielect.com ★ 期刊简介 ★ JAD是由姚熹院士创办并担任主编的英文学术期刊，由新加坡世界科技出版集团（WSPC）和西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）共同主办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域。旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、Scopus、CA、CNKI、DOAJ等多种检索数据库收录。 电介质学术交流（JAD） 没时间解释了，快长按左边二维码关注我们～～ 更多详尽内容，尽在“阅读原文” 请动动手指，在右下角点个“在看”
