[論文レビュー] Band bending and ratcheting explain triboelectricity in a flexoelectric contact diode

Karl Olson, Christopher A. Mizzi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 90被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、ナノスケールの不整地接触における歪み勾配によって駆動されるフレクソエレクトリシティによるバンド湾曲が、非金属材料におけるトライボエレクトリシティ電荷移動を説明すると提唱する。窒素ドーピングされたSrTiO3を用いた導電性原子間力顕微鏡（CAFM）の実験により、フレクソエレクトリシティ効果、ショットキー準位の形成、半導体バンド湾曲を組み合わせたモデルが、わずか2つの調整可能なパラメータで力に依存する電流-電圧特性を定量的に予測できることを実証した。これは、フレクソエレクトリシティがトライボエレクトリシティの根本的メカニズムであるという強い証拠を示している。

ABSTRACT

Triboelectricity was recognized millennia ago, but the fundamental mechanism of charge transfer is still not understood. We have recently proposed a model where flexoelectric band bending due to local asperity contacts drives triboelectric charge transfer in non-metals. While this ab-initio model is consistent with a wide range of observed phenomena, to date there have been no quantitative analyses of the proposed band bending. In this work we use a Pt$_{\mathrm{0.8}}$Ir$_{\mathrm{0.2}}$ conductive atomic force microscope probe to simultaneously deform a Nb-doped SrTiO$_{\mathrm{3}}$ sample and collect current-bias data. The current that one expects based upon an analysis including the relevant flexoelectric band-bending for a deformed semiconductor quantitively agrees with the experiments. The analysis indicates a general ratcheting mechanism for triboelectric transfer and strong experimental evidence that flexoelectric band-bending is of fundamental importance for triboelectric contacts.

研究の動機と目的

• 非金属におけるフレクソエレクトリシティ効果とトライボエレクトリシティ電荷移動の定量的関連を確立すること。
• フレクソエレクトリシティによるバンド湾曲が不整地接触時の電子移動を駆動するという仮説を検証すること。
• 金属/半導体ショットキー接合における機械的負荷下での電流-電圧挙動を予測するモデルを構築すること。
• フレクソエレクトリシティ、歪み勾配、半導体物理学を統合することで、長年のトライボエレクトリシティ理論の矛盾を解消すること。
• フレクソエレクトリシティとバンド湾曲に基づくab-initioモデルの実験的妥当性を提供すること。

提案手法

• イridium含有プラチナ合金（Pt0.8Ir0.2）で作られた導電性原子間力顕微鏡（CAFM）プローブを用いて、窒素ドーピングされたSrTiO3上での力に依存する電流-バイアス測定を実施した。
• 先端-試料界面における歪みおよび歪み勾配をHertz接触モデルを用いて計算した。
• ab-initioで導出したフレクソエレクトリシティ係数を用いて、フレクソエレクトリシティ極化およびそのバンド湾曲への寄与を組み込んだ。
• 半導体物理学を用いてショットキー準位をモデル化し、デプレーション領域およびイメージ力効果を含めた。
• 空間的に変化する伝導帯の経路を通過する電子トンネルおよび輸送経路を変分法を用いて特定した。
• フレクソエレクトリシティによるバンド湾曲を組み込んだダイオード方程式を用いて、実験的I-V曲線にフィットさせ、調整可能なパrameterは2つ（不完全性要因およびショットキー準位の高さ）に限定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレクソエレクトリシティによるバンド湾曲は、トライボエレクトリック接触における観測された力に依存する電流-電圧応答を定量的に説明できるか？
• RQ2 ナノスケールの不整地における歪み勾配は、半導体-金属接合での電子移動にどのように影響するか？
• RQ3 トライボエレクトリック電荷移動において、フレクソエレクトリシティ効果が仕事関数の差やショットキー準位効果を上回る程度はどの程度か？
• RQ4 サイクル的荷重と解放におけるネット電荷移動において、バンド湾曲とラッチェティングの役割は何か？
• RQ5 スライディングショットキー発電機では、なぜ電流応答がフレクソエレクトリシティ係数の符号に弱く依存するのか？

主な発見

• フレクソエレクトリシティによるバンド湾曲を含むモデルは、わずか2つの調整パラメータで複数の力条件下での実験的I-V曲線を定量的に再現した。
• フィットされたショットキー準位の高さは0.85 eV、不完全性要因は2.04 ± 0.09であり、半導体ダイオードの挙動と整合的であった。
• 伝導帯の鞍点の深さは力に比例してz ∝ F^(1/3)と変化し、Hertz接触力学の妥当性を確認した。
• ラッチェティング機構（荷重解放時に非対称なポテンシャル井戦により電子が金属に移動する）は、シミュレーションで直接可視化された。
• フレクソエレクトリシティ係数の符号を反転させてもモデルの安定性が保たれたため、係数の符号やせん断・引張寄与に敏感でないことが示された。
• 分析は、フレクソエレクトリシティによるバンド湾曲が非金属におけるトライボエレクトリック電荷移動の根本的駆動要因であるという強力な実験的証拠を提供した。