金属-绝缘层-半导体结构在摩擦过程中载流子的隧穿机理及其在自驱动光探测器方面的研究

As a novel energy conversion technique, triboelectric nanogenerator can effectively convert mechanical energy existing in hash environment into electricity, which provides the technical support for realization of self-powered systems. However, the alternating current and low current density hinder the further development of high performance triboelectric nanogenerator. Therefore, according to the carriers tunneling effect of metal-insulator-semiconductor (MIS), this project will focus on the carriers tunneling process caused by electrification and directly obtain direct current with high density. Meanwhile, micro-nano processing technology is subsequently used to fabricate controllable structures which will be employed to fabricate self-powered photodetectors. This project will be executed systematically to study the carriers tunneling effect of metal-insulator-semiconductor (MIS) under triboelectrification process in the guide of “fabrication-characterization-analysis-model-calculation”. This investigation will offer new idea for the design and fabrication of nanogenerator, and lay the solid foundation for the further development of triboelectric nanogenerator.

摩擦纳米发电机作为一种新型能源转换技术可以有效地将复杂环境中微弱的机械能转化为电能，为实现自供能系统提供了技术支撑。但是，受限于常规摩擦纳米发电机的交流信号和低电流密度等问题，摩擦纳米发电机在实际应用中很难进一步发展。对此，本项目拟以金属-绝缘层-半导体（MIS）结构中的量子隧穿效应为基础，通过研究界面处载流子在摩擦过程中的隧穿现象，实现具有高电流密度的直流输出信号。同时，利用微纳加工工艺对MIS隧穿单元的尺寸和结构进行调控，实现纳米发电机输出性能的进一步提升。此外，还将研究针对不同波段的光谱制备自驱动光探测器。本项目以“制备-表征-分析-建模-计算”为指导，系统地研究MIS结构在摩擦过程中载流子的隧穿机理，该研究的开展将为摩擦纳米发电机设计和制备提供新的思路，为推动摩擦纳米发电机进一步发展奠定基础。

本项目拟以金属-绝缘层-半导体（MIS）结构中的量子隧穿效应为基础，通过研究界面处载流子在动态摩擦过程中的隧穿现象，实现具有高电流密度的直流输出信号。同时，利用微纳加工工艺对MIS隧穿单元的尺寸和结构进行优化，实现器件输出性能的进一步提升。此外，还将开展研究针对特定波长光谱探测的自供能光探测器。本项目以“制备-表征-分析-建模-计算”逻辑为指导，旨在（1）阐释动态MIS结构在准静态中隧穿电流与各影响因素的相互关系，明确载流子输运机制，建立物理模型，通过理论和实验形成完整研究体系；（2）以界面动态起电现象为依据，揭示MIS结构在动态运动过程中的载流子隧穿机理。以该机理为基础，从材料选取、结构设计等方面出发制备具有高输出电流密度的直流能量转换器；（3）基于入射光对半导体内部载流子的调控，以隧穿电流为反馈信号制备高灵敏的自驱动光探测器。通过隧穿电流的变化，实时观察入射光强的变化。该研究的开展将为能量转换器件设计和制备提供新的思路，为推动能量转换技术进一步发展奠定基础。