最近，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將摩擦納米發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管相結(jié)合，研制出接觸起電場效應(yīng)晶體管，首次提出了摩擦電子學(xué)（Tribotronics）這一新的研究領(lǐng)域。相關(guān)研究成果于8月16日在線發(fā)表于ACS Nano（DOI: 10.1021/nn5039806）。

      場效應(yīng)晶體管的核心技術(shù)是利用門電壓來控制元件中的電流輸運過程，廣泛應(yīng)用于集成電路和柔性電子學(xué)領(lǐng)域。雖然場效應(yīng)晶體管技術(shù)十分成熟，但需要外部提供門電壓，并且以此為基礎(chǔ)的傳感器缺乏與外界環(huán)境直接作用交互的機(jī)制。近年來，王中林院士研究團(tuán)隊發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑，其原理基于接觸起電和靜電感應(yīng)現(xiàn)象，能夠使兩層具有相反摩擦電極性的薄膜之間產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移并形成電勢差。該電勢差作為由外部機(jī)械能產(chǎn)生的內(nèi)部電信號，可以取代傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管的門電壓，用于調(diào)控半導(dǎo)體中載流子的輸運特性。

       由張弛博士和唐偉博士等組成的主力團(tuán)隊，在王中林院士的指導(dǎo)下，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的耦合特性，研制了外力觸控的接觸起電場效應(yīng)晶體管。該器件可在外力作用下使門極材料產(chǎn)生接觸起電，形成靜電勢作為門極信號，實現(xiàn)對半導(dǎo)體中載流子輸運特性的調(diào)控。實驗結(jié)果表明，在5V源漏電壓輸入下，當(dāng)摩擦材料從接觸起電至分離80微米的過程中，漏極電流在耗盡模式下從13.4微安減小至1.9微安，在增強模式下從2.4微安增大至12.1微安，成功地實現(xiàn)了外力對電流大小的調(diào)控。由于摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生比壓電納米發(fā)電機(jī)更高的輸出電壓，及其與半導(dǎo)體效應(yīng)的耦合，使得接觸起電場效應(yīng)晶體管相比壓電電子學(xué)晶體管具有更寬的外力傳感范圍和更多的材料選擇，能夠更廣泛的應(yīng)用于人機(jī)交互、傳感器、MEMS、納米機(jī)器人及柔性電子學(xué)等領(lǐng)域。

       接觸起電場效應(yīng)晶體管的成功研制，首次實現(xiàn)了利用摩擦產(chǎn)生的靜電勢作為門極信號來調(diào)控半導(dǎo)體中載流子輸運特性的目的。同時作為一種基礎(chǔ)器件，還可以衍生出一系列能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的人機(jī)交互器件，由此將開辟出全新的摩擦電子學(xué)領(lǐng)域。摩擦電子學(xué)耦合了摩擦起電效應(yīng)和半導(dǎo)體特性，是摩擦納米發(fā)電機(jī)的全新應(yīng)用。同時，作為由機(jī)械輸入調(diào)控載流子輸運的另一種全新方式，將同壓電電子學(xué)一起，為人機(jī)交互智能界面的發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。隨著光激發(fā)性質(zhì)的引入，還將進(jìn)一步產(chǎn)生摩擦光子學(xué)、摩擦光電子學(xué)等期待探索的新興領(lǐng)域，并將在材料、機(jī)電、信息、自動化、環(huán)境、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科衍生出很多重要的研究方向和潛在應(yīng)用。