電荷輸運機(jī)制的研究是設(shè)計與構(gòu)筑新型納米電子器件的基礎(chǔ)。和半導(dǎo)體器件中的電子信號不同，生命體內(nèi)信息的處理往往基于復(fù)雜的離子和電子同時參與的物質(zhì)輸運過程。因此，揭示離子電荷與電子電荷耦合輸運的基本規(guī)律，通過人工操控兩種電荷之間的相互作用與輸運過程以構(gòu)筑納米電子器件具有重要的科學(xué)意義、創(chuàng)新性與應(yīng)用價值。 

在前期研究中，國家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室研究員鄢勇團(tuán)隊采用帶電金屬納米顆粒，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，通過控制納米顆粒薄膜內(nèi)的離子與電子電荷的濃度梯度分布，實現(xiàn)了類傳統(tǒng)半導(dǎo)體pn結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)金屬納米顆粒二極管（Nature Nanotechnology, 2016, 11, 603-608, Cover art）以及具有不對電極的單層結(jié)構(gòu)金屬納米顆粒整流器件的成功構(gòu)筑（Science Advances, 2018, 4, eaau3546）。 

近期，鄢勇團(tuán)隊與西北工業(yè)大學(xué)教授李鐵虎、韓國蔚山科技大學(xué)（UNIST）教授Bartosz Grzybowski等科研人員合作，通過進(jìn)一步創(chuàng)新器件結(jié)構(gòu)，設(shè)計并構(gòu)筑出一種五電極結(jié)構(gòu)的金屬納米顆粒薄膜晶體管。五電極結(jié)構(gòu)中三個門電極高度對稱以降低漏電流，采用碳材料電極以實現(xiàn)顯著的電荷濃度梯度分布。晶體管的輸出曲線與轉(zhuǎn)移曲線表明，門電壓可有效調(diào)制源漏電極之間的輸出，但這種調(diào)制現(xiàn)象在不帶電的納米顆粒薄膜中未觀測到。同時，器件的性能可通過降低溝道尺寸得到優(yōu)化，在65 μm線寬下，晶體管的開關(guān)比達(dá)到400左右。此外，研究人員通過監(jiān)測可遷移的對離子的濃度分布（EDS）與納米顆粒薄膜的表面電勢（KFM），結(jié)合理論模擬（能斯特-普朗克方程與泊松方程），重現(xiàn)了所有的實驗結(jié)果。基于該晶體管可構(gòu)筑非門，結(jié)合納米顆粒二極管與電阻，實現(xiàn)了與門、或門、與非門以及或非門等基本邏輯，集成實現(xiàn)了全金屬納米顆粒半加器的邏輯輸出。需要指出的是，有別于半導(dǎo)體晶體管，金屬納米顆粒器件能夠抵抗高電壓靜電（10 kV）的損傷。 

相關(guān)研究成果以Transistors and logic circuits based on metal nanoparticles and ionic gradients為題，發(fā)表在Nature Electronics（DOI: 10.1038/s41928-020-00527-z）上。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金、中科院高層次人才計劃等項目的支持。 

左圖：金屬納米顆粒晶體管示意圖；右圖：全金屬納米顆粒半加器