奈米新知--利用鐵電性及光控制電流的新穎電晶體問世

台灣與美國的科學家利用氧化鋅奈米線(ZnO nanowire)與鋯鈦酸鉛(PbZr_0.3 Ti_0.7)O₃, PZT)製作出新型的光致熱(optothermal)效應電晶體。裝置中氧化鋅奈米線內部的汲極電流可藉由紅外光雷射的照射而予以調變，此光熱特性尤其適合遠端或無線應用領域。

近年來，具有方向性電偶極的鐵電(ferroelectric)材料如PZT，結合外加柵極電壓的控制，已經被應用在非揮發性(non-volatile)場效電晶體的記憶功能上。由於PZT也是一種焦電物質(pyroelectric)，意味著其內部電極化方向除了外加電場之外，也能藉由溫度變化而改變。

受到此特性的啟發，台灣大學物理系陳永芳教授的研究團隊與卓克索(Drexel)大學的合作者製作出由單一ZnO奈米線與PZT構成的光致熱效應電晶體。他們發現藉助紅外光雷射的照射，光致熱效應可以調變奈米線內部的汲極電流。在汲極電場為83 kV/m時，電偶極朝下的光致熱電晶體上獲得最大電流靈敏度為25 nA/mW，此數值超越由二氧化矽和矽基板構成的光控奈米碳管電晶體達三個數量級(後者在汲極電場為50 kV/m時，電流靈敏度為20 nA/W)。

光致熱效應電晶體運作原理如下：當研究人員以波長1064 nm的紅外雷射照射PZT上的ZnO奈米線時，汲極電流的大小會受到底部PZT基板內電偶極方向及紅外光的影響。例如，當n型ZnO奈米線建置在電偶極朝上的PZT表面時，PZT內層表面的束縛正電荷會吸引更多的電子在ZnO奈米線內。一旦紅外雷射光照射到PZT，溫度上升會擾亂電偶極的排列，使表面的束縛正電荷減少，導致奈米線內的傳輸電子變少，電流因而下降。相反地，當雷射光照射到電偶極朝下的PZT時，電偶極排列的混亂會使表面束縛電子減少，導致奈米線內傳導電子增多，電流因而增加。

ZnO奈米線在紫外波段的雷射光照射下會產生電子電洞對，這些額外激發的電荷載子成為光電流的來源。因此，結合紫外光照射ZnO奈米線產生光電流的特性，以及利用紅外線加熱PZT調控電流的原理，可望大幅擴展此奈米光電元件的應用潛力與領域。詳見Nanotechnology 23, p.355201 (2012)。

原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯 者:謝俊儀(台灣大學物理系)
責任編輯:蔡雅芝