鄭泉水院士、徐志平教授團隊Nano Letters：力學調控移動Schottky接觸
來源：清力技術 2024-09-25
近日，鄭泉水院士研究組在結構超滑技術相關研究領域取得重要進展，該研究以“On-Device Pressure-Tunable Moving Schottky Contacts”為題，發(fā)表于Nano Letters期刊上。該論文表明團隊構建了移動Schottky接觸，實現(xiàn)了界面性能的在線力學調控，展示了結構超滑直流發(fā)電器件的出色性能與穩(wěn)健特性。
以下轉自公眾號：高分子科學前沿，略有修改
原文鏈接：
https://mp.weixin.qq.com/s/GgTtDmeFJwoWv8s-fGh6uA
微系統(tǒng)集成傳感、通信、處理、執(zhí)行和微能源等多種功能單元，被認為是21世紀的革命性技術之一。伴隨著技術進步與人型機器人、無人機、6G通訊技術等新興產業(yè)的涌現(xiàn)，微系統(tǒng)需實現(xiàn)更低功耗與更長壽命（甚至是全壽命）。面對這些需求，基于半導體和MEMS的傳統(tǒng)微系統(tǒng)存在技術瓶頸，而具有極低摩擦和磨損特性的超滑技術為此提供了新機遇。
超滑微系統(tǒng)定義為集成了多種功能及超滑組件的微小型系統(tǒng)。結構超滑是指兩個接觸固體表面間相對滑移時零磨損和近零摩擦的狀態(tài)，這一具有原理性創(chuàng)新的根技術是實現(xiàn)超滑微系統(tǒng)的關鍵途徑 [1]。自2002以來，鄭泉水團隊致力于探索結構超滑原理，發(fā)展超滑發(fā)電機、超滑微電機、超滑射頻開關等超滑微系統(tǒng)技術。微系統(tǒng)在執(zhí)行功能時受到載荷、環(huán)境等條件約束，因此結構超滑狀態(tài)的穩(wěn)健性是一個值得關注的問題。
鄭泉水院士團隊在國家自然科學基金委員會等資助下探索結構超滑狀態(tài)的穩(wěn)定性、長壽命邊界，在多種材料、結構體系及超高速運動、高載流密度條件下實現(xiàn)結構超滑 [2-5]。在近日發(fā)表于Nano Letters期刊的論文 [6] 中，該團隊構建了移動Schottky接觸，實現(xiàn)了界面性能的在線力學調控，展示了結構超滑直流發(fā)電器件的出色性能與穩(wěn)健特性。論文的第一作者為浙江大學、清華大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生于昭寬，通訊作者為清華大學鄭泉水、徐志平教授。
在微系統(tǒng)領域中，“接觸工程”（Contact Engineering）可顯著提升電子器件的性能和功能，但通常伴隨著高成本及復雜制造過程。從“器件上工程”（On-Device Engineering）這一全新的角度出發(fā)，本研究開發(fā)了一種原位、可逆、全器件尺度的可重構Van der Waals接觸，采用具有結構超滑特性的石墨-MoS2界面，成功構建了p型Schottky接觸，其理想因子和關態(tài)電流創(chuàng)下性能新高。通過壓力控制，可進一步切換界面電子輸運機制，激活器件功能、提升器件性能。
在傳統(tǒng)的金屬-半導體Schottky接觸中，界面性能與Fermi能級釘扎效應常因界面態(tài)的作用產生相互競爭，而通過力學載荷對Van der Waals接觸的電子耦合強度進行調控則避免了該矛盾。當載荷超過壓力閾值時，可實現(xiàn)界面電子輸運從隧穿到漂移的機制轉變，表現(xiàn)出接近1的理想因子和低至10-11 A的關態(tài)電流等優(yōu)異特性，充分展示出力學調控在器件性能優(yōu)化中的潛力。
利用該Van der Waals接觸建立的滑動Schottky發(fā)電器件將微弱、隨機的機械刺激高效轉化為直流電能，其50%的轉換效率遠超傳統(tǒng)的摩擦電與壓電發(fā)電技術。無磨損、極低摩擦的結構超滑技術最大限度減少了摩擦引起的能量損耗，保障了超過120,000次循環(huán)的穩(wěn)定運行，且可負載高達31 A/m2的電流密度。
本項研究提出的移動Schottky接觸概念和“器件上”力學調控技術為低能耗、高耐用性機械電子設備的設計及其在機械感應、類腦計算等領域中的微系統(tǒng)應用開辟了新的可能性。
為進一步推動結構超滑領域的發(fā)展，鄭泉水團隊將于2025年1月19日至22日在深圳舉辦第三屆結構超潤滑國際會議（SSL2025）[7]，匯集國內外力學、物理學、材料科學、電子學等領域科學家，就近期結構超滑科學和技術進展進行探討，凝練未解決的關鍵科學問題，促進跨學科交流和合作，構建研究人員和行業(yè)專家之間的互動平臺。歡迎相關領域學者與業(yè)內專家報名參會，共同推動結構超滑科學技術研究及其在多學科、多應用場景下的交叉融合發(fā)展。
參考文獻：
[1] 《凝練科學問題案例》，案例一，科學出版社，2023
[2] Huang et al., Nature Communications 14, 2931, 2023
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
[3] Peng et al., National Science Review 9, nwab109, 2022
https://academic.oup.com/nsr/article/9/1/nwab109/6308838
[4] Sun et al., Nature Communications 15, 5952, 2024
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49914-6
[5] Wu et al., Physical Review Letters 132, 096201, 2024,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.096201
[6] Yu et al., Nano Letters, ASAP
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03084
[7] 第3屆結構超潤滑國際會議 (SSL 2025)，
http://www.ifry.com.cn/forum/ssl2025.html
以下轉自公眾號：高分子科學前沿，略有修改
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https://mp.weixin.qq.com/s/GgTtDmeFJwoWv8s-fGh6uA
微系統(tǒng)集成傳感、通信、處理、執(zhí)行和微能源等多種功能單元，被認為是21世紀的革命性技術之一。伴隨著技術進步與人型機器人、無人機、6G通訊技術等新興產業(yè)的涌現(xiàn)，微系統(tǒng)需實現(xiàn)更低功耗與更長壽命（甚至是全壽命）。面對這些需求，基于半導體和MEMS的傳統(tǒng)微系統(tǒng)存在技術瓶頸，而具有極低摩擦和磨損特性的超滑技術為此提供了新機遇。
超滑微系統(tǒng)定義為集成了多種功能及超滑組件的微小型系統(tǒng)。結構超滑是指兩個接觸固體表面間相對滑移時零磨損和近零摩擦的狀態(tài)，這一具有原理性創(chuàng)新的根技術是實現(xiàn)超滑微系統(tǒng)的關鍵途徑 [1]。自2002以來，鄭泉水團隊致力于探索結構超滑原理，發(fā)展超滑發(fā)電機、超滑微電機、超滑射頻開關等超滑微系統(tǒng)技術。微系統(tǒng)在執(zhí)行功能時受到載荷、環(huán)境等條件約束，因此結構超滑狀態(tài)的穩(wěn)健性是一個值得關注的問題。
圖1 超滑微系統(tǒng)
鄭泉水院士團隊在國家自然科學基金委員會等資助下探索結構超滑狀態(tài)的穩(wěn)定性、長壽命邊界，在多種材料、結構體系及超高速運動、高載流密度條件下實現(xiàn)結構超滑 [2-5]。在近日發(fā)表于Nano Letters期刊的論文 [6] 中，該團隊構建了移動Schottky接觸，實現(xiàn)了界面性能的在線力學調控，展示了結構超滑直流發(fā)電器件的出色性能與穩(wěn)健特性。論文的第一作者為浙江大學、清華大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生于昭寬，通訊作者為清華大學鄭泉水、徐志平教授。
在微系統(tǒng)領域中，“接觸工程”（Contact Engineering）可顯著提升電子器件的性能和功能，但通常伴隨著高成本及復雜制造過程。從“器件上工程”（On-Device Engineering）這一全新的角度出發(fā)，本研究開發(fā)了一種原位、可逆、全器件尺度的可重構Van der Waals接觸，采用具有結構超滑特性的石墨-MoS2界面，成功構建了p型Schottky接觸，其理想因子和關態(tài)電流創(chuàng)下性能新高。通過壓力控制，可進一步切換界面電子輸運機制，激活器件功能、提升器件性能。
圖2 移動Schottky接觸及其“器件上”力學調控
在傳統(tǒng)的金屬-半導體Schottky接觸中，界面性能與Fermi能級釘扎效應常因界面態(tài)的作用產生相互競爭，而通過力學載荷對Van der Waals接觸的電子耦合強度進行調控則避免了該矛盾。當載荷超過壓力閾值時，可實現(xiàn)界面電子輸運從隧穿到漂移的機制轉變，表現(xiàn)出接近1的理想因子和低至10-11 A的關態(tài)電流等優(yōu)異特性，充分展示出力學調控在器件性能優(yōu)化中的潛力。
利用該Van der Waals接觸建立的滑動Schottky發(fā)電器件將微弱、隨機的機械刺激高效轉化為直流電能，其50%的轉換效率遠超傳統(tǒng)的摩擦電與壓電發(fā)電技術。無磨損、極低摩擦的結構超滑技術最大限度減少了摩擦引起的能量損耗，保障了超過120,000次循環(huán)的穩(wěn)定運行，且可負載高達31 A/m2的電流密度。
本項研究提出的移動Schottky接觸概念和“器件上”力學調控技術為低能耗、高耐用性機械電子設備的設計及其在機械感應、類腦計算等領域中的微系統(tǒng)應用開辟了新的可能性。
為進一步推動結構超滑領域的發(fā)展，鄭泉水團隊將于2025年1月19日至22日在深圳舉辦第三屆結構超潤滑國際會議（SSL2025）[7]，匯集國內外力學、物理學、材料科學、電子學等領域科學家，就近期結構超滑科學和技術進展進行探討，凝練未解決的關鍵科學問題，促進跨學科交流和合作，構建研究人員和行業(yè)專家之間的互動平臺。歡迎相關領域學者與業(yè)內專家報名參會，共同推動結構超滑科學技術研究及其在多學科、多應用場景下的交叉融合發(fā)展。
參考文獻：
[1] 《凝練科學問題案例》，案例一，科學出版社，2023
[2] Huang et al., Nature Communications 14, 2931, 2023
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
[3] Peng et al., National Science Review 9, nwab109, 2022
https://academic.oup.com/nsr/article/9/1/nwab109/6308838
[4] Sun et al., Nature Communications 15, 5952, 2024
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49914-6
[5] Wu et al., Physical Review Letters 132, 096201, 2024,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.096201
[6] Yu et al., Nano Letters, ASAP
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03084
[7] 第3屆結構超潤滑國際會議 (SSL 2025)，
http://www.ifry.com.cn/forum/ssl2025.html
