概述
传统的摩擦纳米发电机只产生位移电流，使得该器件具有很大的内电阻，从而影响了它的实际应用。而化学势泵浦型摩擦纳米发电机利用两个半导体电极对之间的化学势差在电极对接触-分离运动过程中将电子从化学势高的半导体泵浦到化学势低的半导体，使得该型发电机即产生位移电流，又产生传导电流，因此具有较低的内电阻。然而在之前的实验中发现该发电机实际输出的电荷量比理论预测的电荷量低3-4个数量级。基于以上问题，武汉理工大学的邓硕副研究员与英国斯旺西大学的李立杰教授，美国佐治亚理工学院的王中林院士，以及新加坡南洋理工大学的张青教授合作，以第一性原理结合非平衡格林函数的方法分析了电子在两个半导体电极间的输运过程。研究发现在同一偏压下非理想接触时器件的电流强度要明显的低于理想接触，并且在局域态密度中电极接触面处出现了一个明显的电子密度谷，证明了非理想接触阻碍了电子在两个半导体电极间的传输。在电极对分离时，半导体内的耗尽层宽度迅速减小，但接触面附近的电子差分密度几乎不随分开距离的增大而改变，说明表面态引起的电子势垒将伴随整个电极运动过程。该研究结果为后期化学势泵浦型摩擦纳米发电机的优化指明了方向。
研究内容
作者以硅（100）面为起点，首先对硅表面进行了结构优化与态密度计算。发现优化后硅表面出现了非对称二聚重构。由投影态密度结果可知其导带最低点和价带最高点的态密度主要来自于第一层和第二层硅原子的作用。
图1. Si (100)面优化前后的结构与态密度
在非理想接触情况下，相较于理想接触，同一偏压下的电流输出大幅减小，耗尽层宽度明显缩短，说明非理想接触阻碍了 p-n 结界面处电子的累积与传输。在局域态密度结果中，我们发现非理想接触时在接触面处出现了一个明显的电子密度谷，再一次证明了非理想接触对器件输运性能的影响。
图2. p-n 结理想接触和非理想接触情况下的 I-V 曲线，电子势分布以及局域态密度
由不同掺杂浓度下的电子势分布和电子密度分布结果可知，由于表面电荷的存在使得在接触面附近出现了一个明显的势垒。这是影响电子在 p-n 结界面处输运过程的又一重要因素。
图3. 不同掺杂浓度下 p-n 结的电子势分布与电子密度分布
当将两个半导体电极拉开 30 埃以后，发现耗尽层长度迅速缩短。说明耗尽层处所储存的电量对两个电极间的分开距离极为敏感。在分开距离由 0 到 180 埃变化的过程中，我们发现表面态引起的表面势垒将伴随着整个电极运动过程，这说明表面势垒对电子输运性能的影响伴随整个器件工作周期当中。
图4. 不同分离距离下 p-n 结的局域态密度，电子势分布以及电子密度分布
随着分离距离的增加，输出电荷量迅速降低。在分开距离为 30 埃时，耗尽层中 68% 的电荷就已被泵浦到外电路中。这说明该器件对电极分离距离极为敏感。因此，也预示着该器件在高频振动和微位移传感领域同样具有广阔的应用前景。
图5. 不同分离距离下 p-n 结的电子泵浦性能
本文利用 QuantumATK 软件，研究了 p-n 结接触程度与表面态对化学势泵浦型摩擦纳米发电机输出性能的影响。发现表面电荷将显著影响接触面附近的电荷浓度分布以及电子势分布，阻碍电子和空穴在接触面处的传输过程。在分开距离为 30 埃时，该器件的电子泵浦效率可达到68%，预示着在高频和微位移领域该器件同样具有广阔的应用前景。
参考文献
Shuo Deng, Ran Xu, Min Li, Lijie Li, Zhong Lin Wang and Qing Zhang*, “Influences of surface charges and gap width between p-type and n-type semiconductors on charge pumping” Nano Energy, 2020 (78) 1052872.
