柔性摩擦光电子学器件研究

Tribotronics is a new field by coupling triboelectricity and semiconductor. By further introducing optoelectronics, several flexible tribo-phototronic devices will be investigated in this project. First, a flexible floating-gate tribotronic light-emitting transistor based on nanostructured thin film and organic semiconductor light-emitting material will be proposed. With the generated charges on the floating-gate surface by the contact electrification, the charge carrier transport and recombination in flexible transistor can be tuned/controlled, aiming at investigating the modulation mechanism of the electroluminescence properties and active human-computer interaction technique of touch-induced luminescence. Moreover, with the two-dimensional photosensitive semiconductor material as the channel, a flexible tribotronic phototransistor will be proposed, aiming at exploring the photoconductive properties tuned/controlled by the contact electrification and actively enhanced photodetection technique. Finally, a flexible tribotronic photoluminescence device based on the two-dimensional semiconductor material will be proposed, aiming at exploring the photoluminescence tuned/controlled by the contact electrification. This project will clarify the triboelectric modulation mechanism on optoelectronics, extend the tribotronic material system, and develop the tribo-phototronics by three-way coupling among triboelectricity, semiconductor, and photoexcitation. This project can provide novel ideas and approaches for the developments and applications of human-computer interaction, optical MEMS/NEMS, sensing and self-powered system in the near future.

摩擦电子学是摩擦电与半导体效应耦合的新研究领域，本项目拟进一步耦合光激发效应，开展柔性摩擦光电子学器件研究。首先提出一种基于纳米结构薄膜和有机半导体发光材料的柔性浮栅式摩擦电子学发光晶体管，通过接触起电使浮栅层表面产生电荷，用于调控半导体层中的载流子输运和复合特性，探索接触起电对电致发光的调控机制以及触摸发光的主动式人机交互技术；此外，采用二维半导体光敏材料作为沟道层，研制柔性摩擦电子学光电晶体管，研究接触起电对光电导特性的调控作用，探索主动式增强的光电探测技术；最后，基于二维半导体材料研制柔性摩擦电子学光致发光器件，探索接触起电对光致发光特性的调控作用。本项目的开展将深入理解摩擦电对光电子器件的调控机理，扩展摩擦电子学材料体系，实现摩擦电、半导体、光激发效应三元耦合的摩擦光电子学器件，并为人机交互、微纳光机电系统、传感和自驱动系统等技术的发展和应用提供全新的思路与途径。

本项目针对柔性摩擦光电子学器件的机理和应用问题，开展了接触起电对电子器件、光学器件的调控机理研究，提出了基于摩擦纳米发电机（TENG）的光电子学功能器件，扩展了摩擦电子学材料和功能体系，实现了摩擦电、半导体、光电效应的多元耦合。重要结果、关键数据与科学意义表现为：（1）展示了一种基于TENG的可变焦液体透镜，其中的焦距可以通过外部机械滑动直接调节，演示了一种基于可变焦液体透镜对光束的精确调制效应的摩擦电放大镜。该工作利用TENG作为介质，通过外部机械刺激来调节和精确控制液体透镜的焦距，在微光机电系统、人机交互、人工视觉系统等领域有广阔的应用前景。（2）结合接触模式的原子力显微镜和扫描开尔文探针显微镜研制了纳米尺度摩擦起电调控的晶体管，验证了在扫描区域变化以及电荷耗散存在的情况下晶体管的调控特性，实现了通过外加探针电压的方式对源漏电流在一定数值范围之间的任意调控。该工作首次在实验上实现了纳米尺度下对电子器件的摩擦电调控，证明了微纳尺度下摩擦电子学器件的可行性，有助于深入理解摩擦电子学的理论机制，并有望用于纳米电子器件、微纳电子电路、微纳机电系统等领域。（3）通过耦合结构和复用机制提出了一种多源能量采集器，可同时采集雨滴能、太阳能和热能。其中，器件通过金属电极将涂有氧化铟锡（ITO）的n型和p型硅连接成π型结构，然后在ITO表面覆盖一层PTFE薄膜。基于这种紧凑的耦合结构，器件的平均功率密度可达4.44 mW m-2。此外，通过电容充电和驱动电子器件，证明了阵列式器件的供电能力，为复杂自然环境中的能源供给提供了一个具有前景的解决方案。（4）开发了一种用于高分辨率触觉传感的单片集成铟镓锌氧化物薄膜晶体管（IGZO TFT）阵列，通过对阵列中每个晶体管的漏源电流的单独调控实现了毫米级的触觉感知和运动跟踪。该工作提出了一种简单可行的微/纳尺度的摩擦电子学器件制备策略，有望实现高分辨率和大规模的触觉传感。