近日，物理与电子科学学院极化材料与器件教育部重点实验室向平华副研究员课题组在柔性氧化物晶体管的研究方面取得重要进展。该研究首次研制出了全透明柔性WO3晶体管，揭示了电控氢化诱导的金属-绝缘体相变的物理机制，在柔性电子学及电控氢化动力学方面取得新突破。这一研究成果以“Hydrogenation Dynamics of Electrically Controlled Metal-Insulator Transition in Proton-Gated Transparent and Flexible WO3 Transistors”为题，8月22日在国际权威期刊《先进功能材料》Advanced Functional Materials (IF: 15.6) 上刊发，论文第一作者为我院2017级博士研究生徐冬冬。

随着柔性电子技术飞速发展，柔性氧化物薄膜的研究受到广泛关注。然而，常规柔性PET、壳聚糖等有机衬底，无法承受氧化物晶化的温度（通常大于600 ℃），因而难以获得具有良好电学性能的柔性薄膜。而具有天然原子级平整（001）解理面、高化学惰性和热稳定性（~ 1000 ℃）、高透光性和良好机械柔性的云母薄片，可以应用于多种氧化物薄膜的外延生长，为高性能柔性电子器件的低成本制造和高温应用提供了新途径。

基于这一思路，该研究利用范德华外延技术在天然云母衬底上实现了高质量WO₃薄膜的生长，同时采用新型的自支撑离子凝胶膜作为栅介质，成功制备了全透明柔性场效应晶体管。在该晶体管结构基础上，向平华副研究员课题组在实验上首次观测到氢化WO₃的两种亚稳相以及其相分离过程，并在WO₃薄膜中实现了电场诱导的高可控金属-绝缘体相变。通过与段纯刚教授团队合作，借助第一性原理计算，揭示了金属-绝缘体相变过程中伴随着氢化WO₃结构相变的微观动力学过程，为设计和开发基于金属-绝缘体相变的器件提供了强有力地指导。

全透明柔性晶体管结构示意图及实物图(左)；原位X射线衍射技术揭示氢化动力学过程(右)

通过实验发现，WO₃的金属-绝缘体相变对环境真空度具有超高灵敏性，其工作原理与鲨鱼体内洛伦兹壶腹器官存在着高度的相似性。该研究提出基于WO₃薄膜的高灵敏柔性真空计的设想，并成功制备了原型器件，其探测灵敏度高达1×10^-6 mbar，并且具有体积小、质量轻、成本低、柔性透明、无电磁辐射等优点，以上成果目前已申请发明专利。

WO3阻变对真空度的高度灵敏性(左)；真空计的性能测试结果(中)；洛伦兹壶腹结构示意图(右)

该研究利用云母与氧化物薄膜界面间弱的范德华作用力，实现了厘米级自支撑WO₃薄膜的转移。这种大面积氧化物薄膜的新颖转移技术，解决了在柔性衬底及硅半导体中高质量氧化物的集成问题，有望在柔性电子和集成电路领域中展现出巨大的应用前景。

可转移的自支撑薄膜的制备方法(左)及获得的厘米级自支撑薄膜(右)

向平华副研究员（左）与2017级博士研究生徐冬冬（右）

该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海科技创新行动计划、华东师范大学优秀博士研究生学术能力提升计划等项目的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201902497

文：郭静茹、徐冬冬
图：王珠凤