作为典型的强关联氧化物，二氧化钒（VO2）的金属-绝缘体相变对电荷密度和电子轨道占据非常敏感。因此，将VO2作为场效应晶体管的沟道，通过控制栅极电压能够实现其室温相变调控。然而，由于VO2的相变过程对温度非常敏感，如果通过固体电介质层来施加栅压，由于可能产生的漏电流或者电压击穿而导致局部的焦耳热效应。利用某些离子液体作为介质层也能够施加外电场，但是离子液体和氧化物之间往往存在界面电化学反应。因而在上述传统的外电压/电场施加模式下，研究VO2的电场相变调控过程和内在机制变得非常复杂。
近日，中国科学技术大学邹崇文副研究员和乔治亚理工学院王中林院士课题组合作，将摩擦纳米发电机(TENG)结构和VO2薄膜沟道相结合，制作了TENG-VO2三端晶体管结构，实现了VO2沟道中的动态电子掺杂以及相应的相变调制。相关成果以“Dynamic Electronic Doping for Correlated Oxides by a Triboelectric Nanogenerator”为题发表于近期Adv. Mater. 2018, 1803580。论文第一作者为国家同步辐射实验室博士研究生陈宇粮，西安交通大学张颖博士和河南科技大学王赵武博士为共同第一作者， 邹崇文副研究员和王中林院士为共同通讯作者。
实验结果表明VO2中的诱导电荷密度可以通过接触和分离TENG结构中的PTFE和尼龙层来控制。有限元(FEA)模拟显示VO2沟道中的感应电子平均密度可以达到1010~1011cm-2。通过这种动态的电荷掺杂效应，VO2沟道的电阻/电阻率能够得到实时调制，而且这种调制作用在接近VO2相变的温度区域更为显著。第一性原理计算结果进一步证实，TENG结构在VO2沟道中的感应电子掺杂将向上移动费米能级并逐渐占据V的3d电子轨道，从而实现相变调制。此项研究不仅将TENG的应用扩展到了氧化物晶体管器件,而且有望应用于开发新型的压电晶体管和新型电子掺杂技术。
上述研究工作受到了科技部青年973和重大研发计划项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和中科院青年创新促进会等项目的资助。
图示：以离子液体为栅极的FET结构和TENG-VO2器件示意图以及相应的等效电路。TENG-VO2器件中感应电子在VO2沟道中的出现/消失过程通过PTFE和尼龙之间的接触和分离来实时控制。
