电院杨卓青团队实现液滴驱动肖特基二极管的恒流发电

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系杨卓青研究员团队与合作者实现了液滴驱动肖特基二极管的恒流发电。基于金属-半导体-金属（MSM）结构，通过合理设计肖特基二极管阵列，利用水滴驱动便能实现恒流输出而无需外部整流电路，从而提高了能量的转换效率。相关论文以“A constant-current generator by water droplets driving Schottky diode without rectifying circuit”（无整流电路的液滴驱动肖特基二极管恒流发电机）为题在线发表于国际著名期刊《Energy & Environmental Science》。

研究背景

智能化、小型化和多功能先进电子设备能够源源不断地从外界获取信息，因此开发这些小型化的先进电子器件和设备是实现未来万物互联的基础。一方面，这些电子器件能够作为传感单元从环境中感知海量信息；另一方面，为这些传感单元进行能源供应也是亟需解决的科学和产业问题。在众多材料体系中，导电性介于金属和绝缘体之间的半导体材料，由于其在特定器件中所展现的整流效应，因而在微能源收集、集成电路、传感系统、通信设施等领域展现出广阔的应用前景。

基于肖特基和类欧姆MSM结构在水滴驱动下的输出特性

研究成果

该工作基于金属-半导体-金属（MSM）结构，阐明了水滴驱动肖特基MSM器件的输出机制。通过设计并制备不同类型的MSM结构，对其电流-电压（I-V）特性及在水滴驱动下的电学输出进行了分析，并结合开尔文探针显微镜（KPFM）对水滴驱动MSM的发电机制进行了深入研究。实验结果表明通过摩擦起电效应，水滴能够在肖特基势垒两端施加偏压，并对肖特基势垒进行调控。在单水滴驱动下，MSM结构能够产生高达400 µA的直流电。此外，通过改变MSM结构的半导体材料、电极材料、电极结构等参数，能够实现对其I-V特性及电学输出的调控，并验证了本工作提出的直流发电机制。此外，基于雨滴能采集的应用场景并结合微机电系统（MEMS）加工工艺，制备了垂直结构的MSM肖特基势垒二极管发电阵列。通过对顶电极阵列进行优化，研究了不同阵列结构MSM的I-V特性及单水滴驱动下的电学输出。最后，通过模拟随机降雨场景，对不同阵列结构MSM在多水滴驱动下的电学输出特性进行分析，并实现了基于肖特基二极管阵列的恒流发电。

肖特基MSM结构在不同外部激励下的输出特性

水滴驱动肖特基MSM结构的直流发电机制

基于MSM结构的肖特基二极管发电阵列在多水滴驱动下的恒流发电

该研究工作证明了水滴能够驱动肖特基MSM结构以实现直流电学输出，由于摩擦起电效应以及在固-液界面构建的双电层电容，砸落的水滴能够造成系统中电荷的重新分布，此时通过水的桥梁连接作用能够在金属半导体的两端施加偏置电压，从而调节肖特基势垒并促进载流子的传输。更重要的是，本工作强调了摩擦电势对金属-半导体-金属（MSM）肖特基势垒的调控，以及这种发电机制所产生的潜在应用，包括能量采集、液滴逻辑电路以及流体信号监测等。

论文信息

上海交通大学为第一完成单位，电子信息与电气工程学院博士生李亚辉、硕士生张起、物理与天文学院博士生曹宇鸿为该论文共同第一作者。上海交大电院杨卓青研究员及合作者物理与天文学院王辉教授、美国休斯顿大学包吉明教授为该论文共同通讯作者。相关研究部分工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接（或点击“阅读原文”）：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/EE/D3EE02280C

期刊信息

《Energy & Environmental Science》（简称EES）由英国皇家化学学会（RSC）主办，是RSC下旗舰期刊，旨在发表能源与环境领域的前沿研究，并以跨学科的研究成果为主，为材料、能源、环境领域国际顶级期刊。该刊在JCR分区的化学-多学科、能源与燃料、工程-化学、环境科学领域处于顶尖水平 ，2023年影响因子为32.5。

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来源丨微纳电子学系

文稿 | 李亚辉

 编辑 | 张楚屏

责任编辑 | 张悦