近日，兰州大学材料与能源学院与中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队在挠曲电电子学领域取得重要进展。相关成果以“Flexotronic effect-triggered channel switching for high-sensitivity mechanical sensing”为题，6月4日发表于国际知名期刊《Science Bulletin》。该研究以挠曲电电子学效应（flexotronic effect）作为触发开关，控制器件快/慢电输运通道之间的切换（图1），从而显著放大了宏观尺度下本征较弱的挠曲电电子学效应。研究团队在宏观半导体器件中观察到了高达10⁵的应变灵敏度因子（gauge factor），为开发高灵敏度应变/应力传感及触觉成像等“力-电”耦合器件提供了全新的调控原理与设计思路。

图1.电输运通道可切换的挠曲电电子晶体管原理设计

挠曲电电子学效应是指利用应变梯度诱导的挠曲电极化来调控半导体界面能带，进而控制半导体器件电输运特性的现象。由于挠曲电效应（flexoelectric effect）不依赖于材料的晶体对称性，挠曲电电子学效应在理论上存在于所有半导体材料中，对于发展力控半导体器件具有重要的研究价值。然而，应变梯度通常随着材料尺寸的减小而增大，显著的挠曲电电子学效应要求材料或器件的尺度在微米甚至纳米量级，这严重制约了其在电子学和光电子学领域的实际应用。

针对这一挑战，研究团队提出了一种通道可切换的挠曲电电子学晶体管。该器件利用挠曲电电子学效应作为“栅极开关”（“gate”），调控半导体器件在半导体通道与金属通道之间的切换。借助两个电输运通道之间巨大的电阻差异，原本微弱的挠曲电电子学效应得以放大。这种“四两拨千斤”的设计使得器件对外部机械刺激的响应极为灵敏。实验结果显示，其应变灵敏度因子高达10⁵，相比以往报道的挠曲电电子学器件提升了约100倍。这一性能提升不仅验证了在宏观尺度下实现显著挠曲电电子学效应的可行性，也使得该器件在无需复杂的微纳加工工艺，即可灵敏地感知微小应变与应力。

该研究工作由兰州大学材料与能源学院硕士研究生陈瑨琬（第一作者）和赵卿（共同第一作者）等合作完成，兰州大学材料与能源学院刘书海青年教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王龙飞研究员为通讯作者。研究得到国家自然科学基金、高熵能源材料与器件北京市重点实验室、甘肃省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927326006158