文章导读
晶体管是一种半导体器件，可用作放大器或电子开关，是计算机、手机和其他现代电子电路运行的基本构建模块。晶体管凭借其高输入阻抗、低噪声、良好的热稳定性和简单的制造工艺，在大规模和超大规模集成电路中得到广泛应用。然而，这种高度集成化极大地增加了能耗和热耗散。
近期，中科院北京纳米能源与系统研究所孙其君团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表评述文章“Electric-double-layer-gated 2D Transistors for Bioinspired Sensors and Neuromorphic Devices”，介绍了基于2D材料的EDL门控晶体管及其工作机制，讨论了2D 双电层晶体管在光电探测、传感、逻辑电路和神经形态计算等领域的应用和最近研究状况，并对该类器件未来的发展进行了总结和展望。
文章内容
双电层（EDL）门控是一种通过离子在电解质中的作用，通过电场效应调节电子材料的电荷传输的技术。在外部电场的作用下，在电解质/半导体界面上诱导出亚纳米间隙电容器，并具有超高的电容密度（~µF cm−2）。EDL门控晶体管具有许多优点（低工作电压、高电流调制能力、快速响应速度、低功耗）。EDL门控晶体管的主要优势是形成EDL电容器，使得EDL门控晶体管可以以比传统电子晶体管更低的电压驱动。于此同时，二维材料晶体管具有低工作电压、低能耗、多样的晶体结构、超导输运、超薄厚度、磁性有序等优势。因此，基于二维材料的EDL门控晶体管为低功耗大规模集成电路的研究具有重大意义。
图1. 用于光电探测、传感、逻辑电路和神经形态计算的 EDL 门控晶体管示意图。
图2. 离子凝胶的类型。离子凝胶的组成结构有三种不同类型，主要包括离子凝胶的阴离子和阳离子类型。
图3. 不同配置的二维场效应晶体管的 EDL 门控机制及其带图。(a) 共面结构和 (b) 侧面 TFT 结构。(c) 无电场，电解质中离子的分布状态及其能带图。(d) 施加负电场，电解质中离子的分布状态及其能带图。(e) 施加正电场，电解质中离子的分布状态及其能带图。
图4. EDL门控晶体管用于光电探测器应用。(a) 使用石墨烯/MoSe2晶体管实现的栅极可调光电探测器和两极性晶体管。(b) 由离子凝胶栅介质驱动的高度可调、宽波段、负光响应MoS2光电探测器。
图5. 利用EDL门控晶体管形成的传感器的应用。(a) 离子凝胶涂覆的石墨烯场效应晶体管，用于湿度传感应用。(b) 基于直接接触式摩擦电调控平面石墨烯晶体管阵列的机械感知有源矩阵。(c) 离子凝胶电容耦合的摩擦电门控多参数距离传感器。(d) 基于单电极模式摩擦电纳米发电机（S-TENG）和石墨烯场效应晶体管的共面耦合的石墨烯摩擦电触觉传感器。(e) 基于压电势驱动的石墨烯晶体管的主动式电子皮肤应变传感器。
图6. EDL门控晶体管用于逻辑电路应用。(a) 基于石墨烯-TMDC异质结构和离子凝胶栅介质的低电压VFETs和互补反相器。(b) 大面积CVD生长的低于2V的ReS2晶体管和逻辑门。(c) 基于MoS2的摩擦离-电晶体管和摩擦离-电逻辑反相器。
图7. EDL门控晶体管用于神经形态计算。(a) 用于神经形态计算的低功耗、电化学可调谐的石墨烯突触器件。(b) 用于光电时空混合神经形态集成的二维材料双电层晶体管。(c) 利用电双层共面门控方法，将新兴的胶体0D-CsPbBr3-QDs/2D-MoS2 MVVH集成到多端口光电晶体管。
图8. 压电/摩擦电驱动晶体管用于神经形态计算的应用。(a) 基于压电势供电/调制的电双层石墨烯晶体管的人工传感突触器件。(b) 多功能摩擦离-电MoS2晶体管。(c) 接触电激活的人工传入突触器件。
课题组简介
孙其君，中科院北京纳米能源与系统研究所-研究员，博士生导师，功能柔性电子课题组组长，入选中科院人才计划、北京市特聘专家、北京市科技新星等。其研究方向为新材料、半导体器件、电子皮肤传感器、新一代信息技术等。主要是利用新型纳米材料构建柔性场效应晶体管，通过集成压电/摩擦电驱动单元，实现外部机械行为对电学特性调控，并以此为基础对超低功耗人机交互、智能传感、人体健康监测、人工智能和感存算一体化芯片等领域做拓展应用研究。其团队科研人员20余名，承担多项国家基金委、科技部和地方科研项目，在Nature Communications, Science Advances, Chemical Review, EES, Advanced Materials, Materials Today等高水平期刊发表学术论文100余篇，引用>5000次。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
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Tel.: 0451-86413401
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Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
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