港科大杨征保团队EES:摩擦电结——动态金属-半导体接触新模型

2023-11-25 04:11

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金属-半导体接触是现代电子学的基础。许多科学家对其进行了深入的研究，其中不乏诺奖成果。1956年的诺贝尔物理学奖授予约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利，以表彰他们对晶体管的贡献。金属-半导体接触有两种主要形式：欧姆接触和肖特基接触。它们在各种半导体器件中起着重要作用，如二极管、晶体管和太阳能电池等。金属-半导体接触的研究和应用对于推动电子信息产业和能源产业的发展具有重要意义。

近年来，基于摩擦伏特效应的动态金属-半导体接触在能量采集领域引起了广泛关注。然而，其机理仍有待进一步完善。过去的研究大多采用肖特基结模型(静态接触)来解释机理，但是肖特基结理论无法充分解释其输出特性。在动态接触中，不可避免地会产生摩擦电荷，这些电荷会进一步对输出产生影响，然而经典静态接触模型中并未包含对摩擦电荷的研究。对于金属-半导体接触而言，除了经典理论中的欧姆接触和肖特基接触之外，在动态界面中还存在着由摩擦电荷形成的空间电荷区。因此，有必要提出适用于动态金属-半导体接触的新理论模型。

近日，香港科技大学的杨征保教授团队报道了一种称为“摩擦电结”的新型动态金属-半导体接触模型。摩擦电结是由摩擦起电效应产生的空间电荷区，它主导了动态界面的电子-空穴分离过程，并促成了直流输出。通过理论和实验分析，研究者发现摩擦电结对输出电压有两个方面的影响：(1) 摩擦电结的方向决定了输出极性；(2) 摩擦电结的强度决定了输出幅度。摩擦电结的方向和强度都与金属和半导体之间的电子亲和力差异密切相关。相关研究成果以“Triboelectric junction: a model for dynamic metal–semiconductor contacts” 为题在能源与环境领域权威期刊Energy & Environmental Science上发表。港科大博士后许晓特为论文第一作者，港科大杨征保教授和中科院北京纳米能源所王中林院士为论文通讯作者。

类比于PN结或肖特基结在太阳能电池中的作用，研究者提出了一种“摩擦电结”来解释动态半导体发电机中的电学输出(见图1b)。摩擦电结是由摩擦起电效应产生的空间电荷区，只存在于动态接触当中。以动态铝(Al)-硅(Si)接触为例，由于电子亲和力(Al < Si)的差异，Al更倾向于失去电子，而Si更倾向于获得电子(见图1c)。这导致正离子在Al表面积聚，同时负离子在Si表面积聚。因此，摩擦电结的电场方向从Al指向Si(见图1d)。

动态半导体发电机的总体工作机理可总结如下：(1)在动态接触过程中，同时发生两个基本过程：在接触界面形成摩擦电结(见图1d)，以及在半导体中产生非平衡电子-空穴对(见图1e)；(2)随后，非平衡电子-空穴对被摩擦电结分离，产生直流电(见图1f)。摩擦起电效应在两个方面起着至关重要的作用：(1)通过接触界面上不同材料之间的电子转移形成摩擦电结；(2)诱导半导体材料中的电子激发，产生非平衡电子-空穴对。

图1 摩擦电结基础理论。(a) PN结或肖特基结(静态接触)驱动太阳能电池中的电子-空穴分离；(b) 摩擦电结(动态接触)主导动态半导体发电机中的电子-空穴分离；(c) 动态Al-Si接触中摩擦起电效应的电子云势阱模型，包括接触材料之间的电子转移以及相关的能量释放；(d) 摩擦电结，由摩擦起电效应产生的空间电荷区；(e) 半导体中非平衡电子-空穴对的生成；(f)摩擦电结主导电子-空穴分离。

摩擦电结方向决定了输出极性

摩擦电结方向由接触材料之间的电子亲和力差异(χ_M – χ_S的正负)决定。当使用电子亲和力小于硅(Si)的金属(例如镁Mg、铝Al、锌Zn和锡Sn)与Si进行动态接触时，可得到负输出。相反，当使用电子亲和力大于Si的金属(如铜Cu、银Ag、铂Pt和金Au)与Si进行动态接触时，可得到正输出(见图2a)。

研究者进一步对摩擦电结进行了验证，选择了三种具有代表性的材料Al、Si和Cu(电子亲和力：Al < Si < Cu，见图2b、图2c、图2e和图2f)。值得注意的是，当使用相同的金属在具有不同费米能级的硅片上滑动时，可观察到一致的输出极性(见图2d和图2g)。这一现象有力地证明了摩擦电结在界面电子-空穴分离过程中起主导作用。对于硅片来说，通过不同类型和浓度的掺杂可以得到不同的费米能级。即使是重掺杂的硅片，其掺杂浓度仍然非常低，超过0.1%的掺杂浓度即可被认为是重掺杂。因此，在动态界面处互相接触的原子仍然是硅原子和金属原子。因此，无论硅片的费米能级如何，摩擦电结在界面电子-空穴分离过程中都起主导作用。

图2摩擦电结方向决定输出极性。(a)接触材料的电子亲和力差异(χ_M – χ_S的正负)决定摩擦电结方向以及由此产生的输出极性；(b)电子云势阱模型；(c)动态Al-Si接触中的摩擦电结；(d)动态Al-Si接触产生负输出；(e)电子云势阱模型；(f)动态Cu-Si接触中的摩擦电结；(g)动态Cu-Si接触产生正输出。

摩擦电结强度决定了输出幅度

摩擦电结电压是结区电场的积分。因此，更大的结强度(结区的电场强度)将产生更大的结电压。使用不同的金属与同一种半导体进行动态接触时，当金属与半导体之间的电子亲和力差值(|χ_M- χ_S|)越大时，输出幅度越大(见图3a和图3e)。

以负输出为例，研究者使用不同的金属与PEDOT:PSS进行动态接触。与锡(Sn)相比，镁(Mg)更容易失去电子。因此，动态Mg-PEDOT:PSS接触的结强度比动态Sn-PEDOT:PSS接触更高(E_Mg- > E_Sn-，见图3b和图3c)。动态Mg-PEDOT:PSS接触的输出幅度因此也大于动态Sn-PEDOT:PSS接触。进一步比较不同的金属，研究者观察到输出幅度遵循以下规律：|V_Mg-|>|V_Al-|>|V_Zn-|>|V_Sn-|(见图3d)。

类似地，对于正输出，当与铝(Al)动态接触时，PEDOT:PSS比硅(Si)表现出更大的接受电子倾向。这使得动态PEDOT:PSS-Al接触中的结强度比动态Si-Al接触更高(E_PP+ > E_Si+，见图3f和图3g)。因此，动态PEDOT:PSS-Al接触的输出幅度大于动态Si-Al接触(见图3h)。

图3摩擦电结强度决定了输出幅度。(a)对于负输出，接触材料的电子亲和力差值(|χ_M- χ_S|)越大，输出幅度越大；(b)动态Mg-PEDOT:PSS接触的结强度大于(c)动态Sn-PEDOT:PSS接触；(d)动态金属-PEDOT:PSS接触的输出幅度遵循(|V_Mg-|>|V_Al-|>|V_Zn-|>|V_Sn-|的规律；(e)对于负输出，接触材料的电子亲和力差值(|χ_M- χ_S|)越大，输出幅度也越大；(f)动态Si-Al接触的结强度小于(g)动态PEDOT:PSS-Al接触；(h)动态半导体-Al接触的输出幅度为V_PP+> V_Si+。

结论：

研究者提出了一个新的“摩擦电结”模型，旨在深入分析动态金属-半导体接触的机理。研究者证明了在动态接触中，摩擦电结在电子-空穴分离过程中起主导作用。通过理论分析和实验研究，研究者发现摩擦电结对输出电压有两个方面的影响：(1)摩擦电结的方向决定了输出极性；(2)摩擦电结的强度决定了输出幅度。摩擦电结的方向和强度都与金属和半导体之间的电子亲和力差异密切相关。这项工作为动态金属-半导体接触的机理解释提供了新的视角，同时也为进一步的基础研究和潜在应用的探索开辟了新的途径。