隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和“工業(yè)4.0”的興起，利用壓電材料制作緊湊、節(jié)能的力度傳感器吸引了廣泛關(guān)注。壓電電子學(xué)已成為一項(xiàng)新的技術(shù)前沿，在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及人機(jī)交互界面等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

壓電式力度傳感器，通常由應(yīng)變誘導(dǎo)的“肖特基勢(shì)壘高度（SBH）調(diào)制”，或由在誘導(dǎo)壓電場(chǎng)中重新分配電荷載流子的“壓電門控效應(yīng)”控制。然而，雖然基于SBH的器件已經(jīng)得到了很好的探索，但基于壓電門控的器件仍然相對(duì)較少被了解。這限制了壓電門控晶體管的制造。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期在Nano Energy期刊上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)（National Cheng Kung University， NCKU）的研究人員首次報(bào)道了一種“雙模”壓電門控薄膜晶體管（PGTFT），并提供了解釋其工作機(jī)制的分析模型。這種PGTFT在兩種模式（即耗盡和積累）之間表現(xiàn)出了前所未有的工作性能，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的應(yīng)變靈敏度因數(shù)（電流相對(duì)變化與機(jī)械應(yīng)變的比率）2780，展現(xiàn)了極高的靈敏度。

“僅依賴壓電門控效應(yīng)的PGTFT，對(duì)于開(kāi)發(fā)先進(jìn)壓電器件至關(guān)重要。但是，迄今為止報(bào)道的大多數(shù)PGTFT通過(guò)壓電場(chǎng)誘發(fā)的SBH調(diào)制顯示出不明顯的壓電門控效應(yīng)，并且只能檢測(cè)一維應(yīng)變。”該研究的通訊作者劉全璞教授表示。

兩端用電極固定在柔性基板上的壓電器件的工作機(jī)理

在他們的這項(xiàng)研究中，由于氧化鋅（ZnO）的多功能壓電和半導(dǎo)體特性，研究人員利用氧化鋅來(lái)制造這種薄膜晶體管。通過(guò)改變制備過(guò)程中使用的氣體，可以控制ZnO薄膜中的載流子濃度。然后對(duì)薄膜進(jìn)行充分表征，并用于制備兩種不同的PGTFT配置。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)PGTFT施加應(yīng)變來(lái)測(cè)試它們的電流-電壓特性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和數(shù)值模擬。此外，他們還探索了改變載流子濃度對(duì)PGTFT工作模式的影響，以衡量壓電門控效應(yīng)的影響。

研究小組發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變?cè)黾訒?huì)降低頂部PGTFT電極的電流，但會(huì)增加底部電極的電流。這是由于電子在力的作用下從頂部運(yùn)動(dòng)到底部，在頂部耗盡，在底部形成電子積累。這反過(guò)來(lái)影響了輸出電流，并揭示了壓電門控效應(yīng)和壓阻效應(yīng)的共存，其中壓電門控效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)。

此外，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析表明，應(yīng)變靈敏度因數(shù)對(duì)載流子濃度高度敏感，表現(xiàn)為在他們的設(shè)計(jì)中創(chuàng)紀(jì)錄的提高了44%。

劉教授說(shuō)：“我們提出的分析模型完美地解釋了PGTFT的工作原理，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果一致。這些發(fā)現(xiàn)將為多維應(yīng)變傳感PGTFT開(kāi)發(fā)和應(yīng)用鋪平道路。”

這一研究成果有望構(gòu)建緊湊、經(jīng)濟(jì)高效且能耗更低的新型人機(jī)交互界面。