石墨烯引起了人们对下一代电子产品的极大兴趣。然而，自然带隙的缺乏限制了基于石墨烯的晶体管的电流开/关比。二维异质结构的垂直集成为解决这一挑战提供了一种有前景的方法，可实现具有大开/关比的高电流密度垂直场效应晶体管（VFET）。这里，提出了一种具有垂直堆叠石墨烯/MoS₂异质结构的摩擦电势供电VFET和与栅极电介质耦合的滑模摩擦纳米发电机（TENG）。 Tribotronic VFET 具有垂直方向超短沟道长度，表现出出色的电流驱动能力，具有超高导通电流密度950 A cm^-2的和良好的电流开/关比~630，它还展示了整流比超过 10² 可重构的二极管特性。温度依赖性研究首次应用于摩擦电子器件，表明摩擦电势对 150 meV 的肖特基势垒高度进行了有效调制。绿色 LED 像素由摩擦电子 VFET 驱动，作为触觉交互式发光设备的演示。该研究展示了有效的摩擦电势可调谐晶体管和二极管行为，为各种二维层状材料在垂直方向上实现功能器件集成，并为下一代电子器件实现三维一体化提供了一种有前途的策略。

 
Fig 1. 示意图和材料表征。 a）基于范德华异质结构的摩擦电子垂直场效应晶体管（VFET）的示意图。放大图是相应的滑模 TENG 与 VFET 的耦合。 b) 垂直堆叠的石墨烯/MoS₂/金属结构的光学图像（比例尺，10 μm），以及 c) 相应的 AFM 图像。 d，e）少层MoS₂和单层石墨烯的拉曼光谱。 f) 与 FET 耦合的滑模 TENG 的操作机制示意图。

 
Fig 2. VFET 和摩擦电子 VFET 的室温电气特性。 a) 垂直晶体管的 J-V_D 输出特性。背栅电压从-60 V 变化至 60 V，步长为 20 V。 b) V_D = 0.5 V 时器件的 J-V_G 传输特性。 c) 不同栅极电压下的整流比，插图显示二极管V_G = −60 V 时理想因子 ��� = 1.3 的行为。 d) 摩擦电子垂直晶体管的 J–VG 输出特性。 TENG的位移从-8到8毫米变化，步长为2毫米。 e) 摩擦电子器件在 V_D = 0.5 和 −0.5 V 时的 J-D 传输特性。插图是摩擦电子垂直晶体管的等效电路图。 f) 不同 TENG 位移下的整流比，插图显示了 D = −8 mm 时理想因子 ��� = 1.25 的二极管行为。上述所有电流均按面积归一化。 g,h) 产生正（负）摩擦电势的滑模 TENG 示意图，以及正漏极偏压（V_D > 0，石墨烯接地）下相应的能带结构。

 
Fig 3. 石墨烯/MoS₂ 界面处的肖特基势垒。 a) 在 200 至 350 K 的不同温度（D = 0 mm）下测量的摩擦电子垂直晶体管的 J-V_D 输出特性。 b) 示例性地显示了不同偏压 V_D 下 ln (I_D/T²) 与 1000/T 的阿伦尼乌斯图 (D = 0 mm)，以提取偏压相关斜率 S。 c) 提取的斜率 S 与 V_D 线性相关：S(V_D) = −q(Φ_B−V_D/n)/���_B。插图表示与施加的偏置电压为零对应的能带图。根据 S₀ = S(0) = −qΦ_B/���_B 提取的斜率值，零偏置电压的肖特基势垒 Φ_B 评估为 27.85 meV. 。 d、e) 在 D = −24 和 24 mm 的不同温度下测量的摩擦电子垂直晶体管的 J–V_D 输出特性。 f) 提取的势垒高度变化 Φ_B 作为 TENG 位移 D 的函数。

 
Fig 4. 由摩擦电子 VFET 驱动的绿色 LED 像素的器件特性。 a) 由 V_D 分别为 2.1、2.5 和 2.8 V 的 VFET 驱动的绿色 LED 器件的 I_D-V_G 图。 b) 由摩擦电子 VFET 驱动的绿色 LED 器件的 I_D-V_D 图，其中 TENG 位移 D 从 -8 毫米变化到 8 毫米，步长为 2 毫米。插图为等效电路图. c) 装置的时域动态测试。插图是相应的 I_D-D 图。 d)根据TENG位移D和对应的光学图像对LED像素进行亮度控制。亮度作为 D 步进（从 -8 毫米到 8 毫米）的函数可以很好地区分.
 
      相关研究工作由中国科学院北京纳米能源与系统研究所Zhong Lin Wang和Qijun Sun课题组于2024年在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Tribotronic Vertical Field-Effect Transistor Based on van der Waals Heterostructures，原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313210

转自《石墨烯研究》公众号