研究领域/Research Fields

1、声表面波器件及其传感器(Surface acoustic wave devices and sensors

        声波在固体中的传播有2种途径:一种是大家耳熟能详的声体波,其以纵波或横波的形式在固体的内部传播;另一种则是声表面波,通常在半无限大的压电衬底表面传播,且其能量集中于压电衬底表面。

        由于绝大多数的声表面波都集中在压电晶体衬底表面一个波长深度的范围内,所以在衬底表面的声表面波的能量密度非常大,这使得声表面波器件对其衬底表面的任何微小扰动都非常的敏感,因此利用声表面波技术可以实现高灵敏度高检测限的传感器,可以对微弱微小的信号进行探测。除此之外,因为声表面波属于表面弹性波,其传输并不涉及电子的迁移过程,所以它对辐射和大功率的电磁干扰有一定的抗干扰能力。此外,声表面波器件不需要能量供给,属无源器件,易于实现无线遥感遥测。声表面波器件还具有尺寸小、损耗低等优点,且其制作工艺与传统半导体制造平面工艺完全兼容,易于实现器件微型化、集成化和大批量生产,这些特点都使得声表面波技术在紫外探测领域有着巨大的发展潜力。

2、压电电子学和压电光电子学(Piezotronics and piezo-phototronics)

        压电效应是压电材料,如氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、锆钛酸铅等(PZT),在应力作用下产生形变时出现的一种内部电势的现象。压电效应已经广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。

        对于ZnO、GaN等半导体材料,由于同时具有压电性和半导体性,压电效应可以改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质,这就是压电电子学效应。利用压电效应产生的内场,王中林教授首次提出了在ZnO纳米线中,压电势可以起到栅极电压相似的作用,这样ZnO纳米线中的载流子的输运过程就可以通过外加在器件上的应力进行调控或触发。这一类利用机械形变来调控或触发的电子器件就叫压电电子学器件。如果器件在源极或漏极中有一端或两端是肖特基接触的,当激光照射在源极或漏极时,由于压电效应、光激发和半导体特性的三相耦合,可以产生一种新的效应,即压电光电子学效应。压电光电子学可以利用压电电场来调控载流子的产生、传输、分离和复合,在发光二极管、光探测和太阳能电池等领域中都有广泛的应用。

        压电势作为栅极电压调控的电子器件显示了一个制备应变、应力或压强驱动和控制的电子器件、传感器和逻辑电路的新方法。压电光电子学是压电效应、光激发和半导体传输特性三相耦合的一种效应,它是通过应变引起的压电势来调节和控制电光过程。可以预期压电电子学和压电光电子学将启发新的电子和光电子器件的发明,并将在发光二极管,光电池和太阳能电池,人和计算机界面,纳米机器人,微纳机电系统,人和机器相互作用等领域中都有广泛的应用。

3、摩擦电子学(Tribotronics)

        摩擦电子学是摩擦电与半导体耦合的新研究领域,由张弛研究员和王中林院士于2014年首次提出。摩擦电子学通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径。

        摩擦电子学以纳米摩擦学、半导体器件物理为基础,探索摩擦纳米发电与半导体技术的耦合效应,为摩擦电子学器件的制备与应用提供基础理论;结合有机、纳米等新材料,形成摩擦电子学材料体系,探索柔性、透明、可伸展等摩擦电子学器件,发展其在人机界面、电子皮肤、智能传感、可穿戴设备等领域的应用;结合光电子、电磁、集成电路、MEMS等技术,研究摩擦电可调控的发光、光电、电磁、逻辑运算、存储以及MEMS等各种新型功能化器件与应用;结合一体化集成技术,对摩擦电子学功能器件进行阵列化扩展,探索大规模集成的摩擦电子学阵列器件和高度集成的微纳机电系统,研究大面阵人机交互式界面技术与应用。

        摩擦电子学预计将在基础理论和材料体系的建立与发展、新型摩擦电子学功能器件的研制与应用、大规模集成器件阵列的研制与应用等方面形成重要突破。并将深化和扩展纳米能源、纳米摩擦学、MEMS等新兴学科,在智能传感、能源科学、人机接口、生命科学等新兴应用中展现出重大价值。

4、摩擦纳米发电机和自驱动系统(Triboelectric nanogenerators and self-powered systems)

        摩擦纳米发电机由王中林院士于2012年首次提出,其原理基于摩擦生电和静电感应现象,不仅能够驱动微纳电子器件和便携式电子设备,还具有作为新能源技术向大能源应用迈进的广阔前景。摩擦纳米发电机具有质轻,体积小,用材便宜等优势,能够收集电磁感应发电机不容易获取的机械能,比如海浪能、机械振动等,将逐步成为与电磁感应发电机同等重要的发电技术。

        完整独立的自驱动微纳系统由摩擦纳米发电机、电源管理电路、储能器件、微纳执行器/传感器以及通信接口电路等部件组成,其目标是收集和转化生活环境中各种各样的机械能,用于微纳系统自供电,组成具有能源采集、管理、储存、传感、信号输出等多功能的微纳系统,具有微型化、智能化和集成化等优势,解决在人体健康实时监测、基础设施监测、环境监测以及物联网的广泛应用中所需的小范围用电问题,提供可持续性的自驱动电源技术。

        摩擦纳米发电机可取代传统蓄电池作为自驱动电源设备,并且相比蓄电池具有加工能耗低、材料绿色环保等优点,非常适合大规模产业化。基于摩擦纳米发电机的自驱动微纳系统可为个人电子产品、环境监控、医学科学等提供自供电和自驱动设备,有着巨大的商用和实用潜力,对于推动自驱动系统、物联网,以及蓝色能源等方面的发展具有很重要的意义。