傳統半導體集成電路的發展面臨著尺寸持續縮小的技術瓶頸，新興的石墨烯等二維材料基于其納米級厚度和極高的載流子遷移率一直備受關注。但是由于石墨烯零帶隙導致的極低的電流開關比限制了其在半導體領域的發展。因此，通過集成垂直結構范德華異質結構筑縱向傳輸的垂直場效應晶體管（VFET），可以有效的提升電流開關比，同時保持較高的開態電流密度。

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和孫其君研究員團隊通過集成摩擦納米發電機與石墨烯/二硫化鉬（MoS2）垂直異質結，構筑了摩擦電垂直場效應晶體管新器件（tribotronic VFET），該器件在垂直方向上具有納米級溝道長度，并展現出較大電流開關比和較高的開態電流密度。

該摩擦電VFET器件由垂直堆疊的石墨烯/MoS2/金屬結構和水平滑動模式的TENG組成。VFET在垂直方向上具有超短溝道長度，顯示出出色的電流驅動能力，具有超高導通電流密度950 Acm^-2^的和良好的電流開/關比~630。此外，干凈的范德華界面以及可調的石墨烯費米能級，可有效抑制費米能級定扎效應，實現對二硫化鉬溝道能帶結構地有效調控，因此利用該摩擦電垂直場效應晶體管可通過機械位移來有效調節垂直范德華異質結的肖特基勢壘高度。相關研究成果以“Tribotronic Vertical Field-Effect Transistor Based on van der Waals Heterostructures”為題發表于《Advanced Functional Materials》。

在該工作中，作者第一次將變溫測試用于摩擦電晶體管，通過熱電子發射理論和溫度依賴特性測試首次量化了摩擦電勢對肖特基勢壘高度的調制（~150 meV）。此外，器件還表現出多功能特性，包括可重構的二極管特性（整流比超過10^2^）和觸覺調控的交互式智能LED，可通過外部位移輕松調制LED的亮度。這項工作為開發基于二維層狀材料的下一代晶體管在三維集成、多功性、多樣性以及智能傳感等方面提供了重要啟示，展現了探索新概念器件的潛在途徑，也為納米機電系統 (NEMS)、人機交互界面和物聯網應用領域的發展提供了新的思路。

通過摩擦起電和靜電感應，TENG中兩個摩擦層的橫向滑動感應出摩擦電勢，通過背柵輸入可以調制VFET中的電子傳輸。同時耦合的摩擦電勢可以有效地調制石墨烯/MoS2界面處的肖特基勢壘和MoS2的能帶。

圖1. 原理圖和材料表征。

該VFET可以同時實現950 A cm^-2^高開態電流密度和630的高電流開關比，這對于制造具有優異電學特性的摩擦電子VFET至關重要。通過利用石墨烯/MoS~2 ~的垂直范德華異質結構，它還表現出明顯的可重構二極管行為，整流比超過10 ^2^ 。

圖2 垂直晶體管和摩擦電子垂直晶體管室溫下的電學特性。

通過對摩擦電VFET進行隨溫度變化的電學特性分析，采用-20到20 mm機械位移所產生的摩擦電勢可實現對石墨烯/MoS2肖特基勢壘高度調節150 meV。

圖3 石墨烯/MoS2界面的肖特基勢壘。

TENG產生的摩擦電勢還可以很好地控制VFET的電子傳輸，并允許大電流流過范德華異質結構的重疊區域，這對于驅動LED并以主動和交互模式控制其亮度至關重要。

圖4. 摩擦電子垂直晶體管驅動綠色LED的特性。

該研究展示了有效的摩擦電勢可調諧晶體管和二極管行為，為各種二維層狀材料在垂直方向上實現功能器件集成，并為下一代電子器件實現三維一體化提供了一種有前途的策略。該工作提出的垂直摩擦電子學器件概念可以通過基于超薄范德華異質結構的可重構二極管增加器件的功能，并設計出更緊湊的邏輯門。所提出的摩擦電VFET將在機械行為衍生半導體器件研究、可調功能器件、自供電交互界面等應用領域展現出了巨大的發展潛力。

審核編輯：劉清