动态同质二极管直流发电机:轻质化、低阻耗、可集成|浙江大学林时胜团队

动态同质二极管直流发电机:轻质化、低阻耗、可集成|浙江大学林时胜团队

动态同质二极管直流发电机:轻质化、低阻耗、可集成|浙江大学林时胜团队

近期,浙江大学林时胜团队提出了一种内建电场驱动下的硅基动态同质二极管直流发电机,在机械能的作用下通过半导体费米能级差形成界面内建电场反弹界面载流子,构建了动态半导体二极管中的半导体物理框架,相关成果以“Interfacial Built-In Electric Field-Driven Direct Current Generator Based on Dynamic Silicon Homojunction”为题发表在Research上(2020年6月16日,Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/5714754,第一作者是博士生陆阳华)。

研究背景

法拉第电磁发电机推动了人类进入电气时代,改变了人类社会发展的历史进程,使得电能成为了人类生活必不可少的一部分。20世纪二极管的出现诞生了信息文明。随着物联网、人工智能、大数据等新兴行业的兴起,对能源供应技术提出新的要求,急需寻找一种可随时随地获取环境能源不受环境限制的原位能源获取发电机。如何应对不同应用场合的电源供应需求,设计新型轻质化、可集成、便携柔性的发电机能源是目前的重中之重。对电子产生以及输运过程的认识不仅仅是促进信息化社会的根源,也是满足人类社会能源获取需求的关键。自从19世纪40年代二极管发现以来,包括集成电子和光电器件在内的众多基于半导体物理结构的应用,推动了人类信息化发展。然而相对于静态的二极管,动态二极管很少被关注。相对于广泛应用于信息器件领域的静态二极管,动态二极管正是解决新时代原位能源领域需求的全新解决方案。与电磁发电机等相比,动态二极管发电机具有轻质化、低阻耗、可集成等优势。

研究进展

浙江大学信电学院林时胜领导的高效发电与信能一体化团队近来发现了基于动态肖特基二极管结构的高电流密度直流发电机,并提出基于半导体理论的物理图像(Adv. Mater., 2019, 31, 1804398; Matter, 2019, 1, 639; Adv. Sci., 2019, 6, 1901925)。随后扩展到半导体PN结二极管中,建立相应的半导体理论框架(Arxiv:1901.00701; Research, 2019, 5832382; iScience, 2019, 22,58)。在此基础上,发现具有相同掺杂类型的同种半导体,特别是动态NN结也可以输出直流电进一步系统完善了的动态半导体二极管的半导体理论框架,验证了半导体费米能级差与界面内建电场在载流子输运过程的重要作用。动态半导体同质结一定程度上解决动态二极管的半导体界面失配问题,降低界面载流子的能量损耗;同时将电子作为多数载流子的动态NN结电荷迁移率高,更适合于产生高电流输出。图1是动态硅NN结直流发电机,具有高电流密度、不受环境和外加电路限制、可连续稳定发电的优点,在便携化的智能可穿戴设备以及自驱动的物联网传感器中有很好的应用前景。

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图1 动态硅NN结直流发电机

动态硅NN结二极管界面处的非对称扩散-漂移电流与界面电荷的载流子反弹效应是电流产生的根源,等效于一个结电容的动态充放电过程,因此调整界面势垒高度与内建电场是设计动态NN结二极管发电机的关键。相对于动态PN器件,动态NN器件的发电电流更高,这是由于硅中电子迁移率高于空穴迁移率。图2是对不同电阻率的N型硅基动态NN结发电机性能与费米能级差的关系进行研究,发现器件电压与动态NN结的中半导体费米能级差正相关。

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图2 动态硅NN结二极管直流发电机中的发电电压与电阻率的关系

进一步通过在界面插入一层介电层,可以有效调节 S-i-S结构界面的势垒高度,并实现对器件电压的可靠设计,有效提升电压。动态NN结二极管发电机输出电流密度高达214.0 A/m2,可以给基于二极管元件的信息器件快速供电。由于可连续输出稳定直流电,供电过程中无需外加整流电路与储能单元,更是具有轻质化、便携等特点。特别值得注意的是,动态NN结二极管发电器件的内部阻抗是相当低的(~ 3.6kΩ),与半导体元器件的的阻抗更匹配(kΩ级别)。以上均表明其作为新一代的轻质化、柔性高效原位能源获取技术可应用于可穿戴电子设备供电领域。

未来展望

动态半导体二极管直流发电机可以实现对基于半导体二极管的电子元器件的实时高效供电,无需外加整流电路以及电量存储单元,作为新一代的轻质化柔性高效原位能源获取技术可以应用于可穿戴电子设备供电领域。动态半导体二极管发电机高电流密度(~100 A/m2)、低内部阻抗功耗( kΩ级别)的优势,更是有望实现与基于半导体二极管的信息系统集成化,进而实现信息-能源一体化。

作者简介

动态同质二极管直流发电机:轻质化、低阻耗、可集成|浙江大学林时胜团队

林时胜,博士生导师,现任浙江大学信息与电子工程学院、微电子学院教授,带领高效发电与信能一体化团队在高效光电和发电器件领域取得了一些重要研究成果,包括高效新型发电器件、高效太阳电池、高效自驱动光电探测等方向。率先提出了动态二极管发电机的概念与器件物理框架。目前已在Research, Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Sci., Adv. Energy Mater., iScience, Matter, Adv. Funct. Mater., Nano Energy等期刊发表学术论文近80篇,google引用超3000次。授权发明专利近20项,担任Science Bulletin副主编等学术兼职。林时胜个人主页:https://person.zju.edu.cn/shishenglin

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊,是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会,主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维,主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿,关注和使用期刊的出版内容。

网址:https://spj.sciencemag.org/research/

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