西电材料院在顶级学术期刊Nature Communications发表研究成果

近年来，为了提高压电传感器的性能，一方面，对压电器件的结构进行了扩展，研究了具有不同半导体结构的压电器件的物理模型，比如金属-半导体肖特基结、p-n结、双晶界面、二维电子气体等。另一方面，提出了一些提高器件性能的有效策略。通用的方法是：寻找具有高压电系数或特殊几何特性的压电半导体材料提高压电极化电荷的产生效率；采用引入合金结构和内部空穴等策略减弱自由载流子对压电极化电荷的静电屏蔽效应；优化器件结构（如双通道结构和离子凝胶调控结构），提高器件使用压电极化电荷的有效性和效率。这些研究主要集中在对界面势垒高度的压电调制和改善压电效应对机械传感的影响。然而，为了进一步提高压电器件的性能，不仅需要对器件进行材料改性和结构优化，还需要对压电调控机制进行创新。

近日，西电材料学院先进材料与纳米器件研究所和兰州大学合作的研究成果以“Highly SensitiveStrainSensors Based on Piezotronic Tunneling Junction”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。博士生于秋红为本文第一作者，西电材料学院为第一单位，通讯作者为兰州大学秦勇教授、刘书海副教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王龙飞博士。

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）（4.8105）。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。

（a）压电极化调控压电电子学隧道结的界面能带示意图。（b）压电电子学隧道结应变传感器的光学图像。（c，d）HfO2/n-ZnO纳米线的SEM图像。（e）沿（d）中的标记位置测试的HfO2/n-ZnO纳米线表面的高分辨TEM图像。（f）绝缘层HfO2的厚度统计图。（g）Ag/HfO2/n-ZnOPTSS和Ag/n-ZnOSSS的I-V曲线。（h）计算得出Ag/n-ZnOSSS的势垒高度约为0.42 eV。（i-k）Ag/HfO2/n-ZnO的I-V、ln(I?V-2)与-1/V以及ln(I?V-1)与V1/2关系曲线。

如图a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b-e是对器件的结构和纳米线形貌的表征。TEM图像（图e）和厚度统计结果（图f）证明ZnO纳米线表面沉积的绝缘层厚度大约是1.8±0.3nm。图g-k是对PTSS和SSS的I-V曲线分析。图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j），以及ln(I?V-1)与V1/2的函数曲线（图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。

（a，b）压电电子学器件的应变图示和测试电路图。（c，e）Ag/HfO2/n-ZnO PTSS和ZnOSSS的I-V特性曲线。（d，f）分别由（c，e）中数据计算得到的有效肖特基势垒高度（SBH）的变化。（g，h）PTSS和SSS的应变传感表征。

Ag/HfO2/n-ZnO PTSS可在拉伸或压缩状态下发生周期性应变（图a）。图b显示了测试中的电测量系统。在+3V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c）,而基于肖特基结的SSS在应变过程中电流变化很小（图e）。Ag/HfO2/n-ZnO PTSS的势垒高度变化量与应变是非线性关系（图d），SSS的势垒高度改变与应变线性相关（图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。

（a）Ag/HfO2/n-ZnO PTSS的电流响应图。（b）隧道结的能带图。（c）ln(Istrain/Ifree)与应变的函数关系曲线。（d）由（c）推导出的有效势垒高度和宽度的改变量与应变的关系曲线。

如图a所示，为了研究压电界面调控效应对隧道结势垒高度和宽度的影响，测试了器件5个周期的动态电流响应。为了便于分析，将图b中的隧道结势垒等同于矩形势垒。图中的?BH代表隧道结势垒高度的变化，?BW代表隧道结势垒宽度的变化。基于图a中的电流响应曲线，绘制了ln(Istrain/Ifree)与应变的函数关系曲线（图c），可得ln(Istrain/Ifree)在红色区域随应变近似线性变化。基于压电电子学理论，受势垒高度变化影响的电流与应变线性关系，可知应变大于0.02%时，主导调控势垒的高度。由于应变对势垒宽度微弱的调控就会引起载流子隧穿几率发生明显的变化，会使ln(Istrain/Ifree)随应变发生很大的变化，因此图c曲线中的快速变化的非线性段（应变小于0.01%）就可认为主要是应变主导调控势垒宽度。在图c中的插图显示了蓝色区域的放大细节，表明了ln(Istrain/Ifree)和应变的指数形式之间的近似线性关系。这种关系与肖特基结器件的情况并不同，表明在PTSS的隧道结中存在复杂的压电调控机制。基于势垒的高度和宽度与电流都有自然的指数关系，在图d中计算了应变引起的势垒高度和宽度的变化，结果显示0.07%的应变将导致有效势垒高度约6.31 meV的变化。

（a）PTSS与SSS在压缩和拉伸应变下的开关电流统计。（b，c）PTSS与SSS的开关电流比，GF值与应变的关系图。（d）PTSS与现有基于肖特基接触的ZnO纳米线或纳米带基应变传感器之间的GF值对比。

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。

总之研究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4.8105。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。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28443-0