第一作者：林沛
通訊作者：王中林、潘曹峰
通訊單位：中科院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院
核心內容：
1. 壓電電子學/壓電光電子學效應的基本原理。
2. 2D納米材料中的壓電效應。
3. 2D納米材料中的壓電電子學/壓電光電子學效應理論研究。
4. 基于2D納米材料的壓電電子/壓電光電子器件應用。
5. 2D納米材料在壓電電子學/壓電光電子學研究中的展望。
壓電電子學/壓電光電子學效應的提出
自1880年壓電效應被發現以來，由于其固有的機-電耦合特性，壓電材料被廣泛應用于換能器、驅動器以及傳感等領域。在傳統該領域研究中，關注對象主要包括無機壓電陶瓷(如BaTiO3、PTZ等)和有機壓電聚合物(如聚偏氟乙烯PVDF)。由于以上材料通常為絕緣體，因此壓電極化與載流子輸運過程的耦合長期以來被忽視。
2006年王中林院士課題組利用ZnO納米線成功構筑了壓電式納米發電機（piezoelectricnanogenerator），首次證明了具有一定濃度載流子的半導體材料依然可以保持顯著的本征壓電特性。基于壓電半導體材料中壓電、電輸運以及光電特性之間的耦合，王中林院士分別于2007年和2010年首次提出了壓電電子學(piezotronics)和壓電光電子學(piezo-phototronics)的概念。
與傳統柵壓調控的CMOS器件不同，壓電電子學和壓電光電子學效應利用材料內部產生的壓電極化電荷(壓電電勢)調控界面能帶結構，進而實現對半導體器件性能的調制。該效應已在具有纖鋅礦結構的一維半導體如ZnO、GaN中得到廣泛證實。
二維材料與壓電電子學/壓電光電子學
近年來，對于二維材料以及范德華異質結器件的研究逐步成為凝聚態物理和材料學科的熱點。從晶體學角度講，二維形貌體現了晶體結構中三維對稱性的破缺，因此許多非壓電塊體材料在單層條件下會出現本征的壓電特性。
2014年，王中林院士課題組利用實驗手段證明了二維范德華半導體MoS2中的壓電性能，并首次將壓電電子學/壓電光電子學的概念引入二維領域。掀起了新型二維壓電材料體系理論預測、量子壓電電子學/壓電光電子學以及新型壓電范德華異質結器件研究的熱潮，并逐步成為二維材料領域研究的一個重要分支。
綜述簡介
鑒于此，中科院北京納米能源與系統研究所所長，佐治亞理工學院校董教授王中林院士、潘曹峰研究員和林沛博士后對該領域的最新研究進展進行了系統綜述，重點介紹了壓電電子學/壓電光電子學在二維納米能源、主動式力電/光電傳感等方面的應用。此外，作者還對該領域目前存在的主要問題以及未來可能的科學突破進行了展望。
圖1 二維材料中的壓電效應
要點1：2D納米材料中的壓電效應
眾所周知，是否具有中心對稱結構是判定壓電材料的重要依據。隨著二維材料體系的不斷擴展，二維壓電材料的種類也不斷豐富。通常來講，二維材料中的壓電性能主要有三種來源：(1) 體材料中的壓電效應在二維形貌下得到保持，典型代表如纖鋅礦結構CdS、ZnO等； (2) 體材料不具有壓電性能，單層形貌下具有壓電性能，典型代表如過渡金屬二硫化物MoS2、WSe2等；(3) 塊體及單層形貌下均不具有壓電性能，通過結構調控或表面修飾后具有壓電特性，典型代表為石墨烯。
與塊體及一維材料相比，二維材料晶體結構簡單，更容易從第一性原理的角度對“材料結構-壓電性能”構效關系進行研究，有助于加深人們對于壓電效應這一物理現象的理解。此外，由于具有厚度極限，二維材料的出現使得人們對原子尺度下材料壓電性能的精細調控成為可能。
要點2：2D納米材料中壓電（光）電子學效應的理論研究
與塊體材料中的有限元分析不同，二維材料為壓電電子學/壓電光電子學效應的量子化研究提供了完美的對象。以肖特基結為例，王中林院士研究組基于密度泛函理論證明金屬原子與MoS2邊界態原子之間的成鍵對于保持MoS2自身壓電特性具有重要影響，并提出新的理論模型對該結構下的壓電電子學效應進行了解釋(圖2d)。此外，由于具有優異的機械性能，二維材料能夠承受更大的彈性應變量和更為復雜的應變形式。因此，傳統壓電電子學/壓電光電子學理論與實驗研究中較少被考慮的非均勻應變（應變梯度）在二維形貌下可以輕易得到實現，有可能產生新的調控現象以及新的調控機制。
圖2 二維材料中的壓電電子學/壓電光電子學效應理論研究
要點3：基于2D納米材料的壓電（光）電子器件應用
壓電納米發電機是指利用壓電效應實現機械能到電能的轉換，其本質是麥克斯韋位移電流在能源領域的應用。二維壓電材料由于本征的機-電耦合特性，在超薄柔性納米發電機、自驅動系統以及原子尺度下的驅動器中具有廣闊的應用前景。對于單層MoS2構筑的壓電發電機（圖3a），在0.53%應變條件下功率輸出約為55.3 fW，能源轉換效率約為5.08%。此外，由于二維材料具有薄膜形貌，因此可以與傳統半導體工藝(如光刻、刻蝕等)以及電子技術相結合；通過器件系統集成，二維壓電納米發電機的性能可以得到極大提高（圖3d-f）。
圖3 二維材料在納米發電機領域應用
與傳統壓阻效應改變材料體電阻不同，壓電電子學效應通過應變誘導的壓電極化電荷對界面勢壘高度進行調控。由于在半導體異質結中，器件電輸運與勢壘高度成指數關系，因此基于壓電電子學效應的應變傳感器通常具有更高的響應靈敏度（圖4）。基于單層MoS2的壓電電子應變傳感器最高靈敏度系數約為1160，遠高于MoS2壓阻傳感器以及其他石墨烯基傳感器件。該特性為二維柔性電子件的結構設計提供了新的思路，并拓展其在應變控制的柔性器件、人-機交互領域中的應用。此外，隨著大面積二維材料可控制備的發展，壓電電子器件的系統集成也逐步成為可能。
圖4 二維材料壓電電子器件在高性能應變傳感中的應用
眾所周知，界面調控是實現高性能半導體器件的一種重要途徑。目前文獻報道的二維材料異質結性能調控大多通過施加外部柵壓實現，壓電電子學/壓電光電子學效應為該類異質結調控提供了一種全新的手段。利用壓電光電子學效應，通過對肖特基結界面勢壘的調控，金屬-半導體-金屬結構的MoS2柔性光電探測器件性能得到極大提高（圖5a-c）。在0.38%壓縮應變條件下，探測器對3.4 μW cm-2強度的442 nm激光最高響應度高達2.3×104 AW-1，比已有報道的MoS2光晶體管最高性能提高26倍。此外，在n-MoS2/p-CuO異質結以及MoS2同質結等其他類型的二維光電探測器中，同樣證明了壓電光電子學效應對于器件性能的有效調控，體現出良好的應用普適性。
圖5 壓電光電子學效應在高性能二維柔性光電傳感器件中的應用
小結
總之，二維壓電材料的發現為壓電電子學/壓電光電子學效應的研究提供了新的平臺，其中蘊含的深層次物理機制還有待進一步發掘，并在納米能源、自驅動系統、人-機交互以及可穿戴電子/光電子等領域顯示出巨大的應用潛力。
此外，隨著研究的逐步深入，二維材料中其他眾多新奇的物理特性如室溫鐵磁、量子自旋等也逐步被發現，壓電電子學/壓電光電子學與上述特性之間的耦合有望產生更多新的物理效應以及器件應用領域。
參考文獻：
Lin P, Pan C, Wang Z L, et al. Two-dimensional nanomaterials for novel piezotronics and piezophototronics. Materials Today Nano, 2018.
DOI: 10.1016/j.mtnano.2018.11.006
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842018301494
