场效应调控能量储存器件的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源问题是影响社会进步及可持续发展的重大问题之一，因此开发新能源及能源的存储与输出利用的研究迫在眉睫，而随着便携式移动设备的普及，基于纳米器件的能源存储研究也显得尤为突出。同时，纳米器件如细胞记录传感器^[1]、电子设备^[2]、热电转换设备^[3]及纳米发电机^[4]等在可植入性生物传感器发展方面也有不可或缺的作用。通常情况下，纳米器件自驱动功能的实现包括三个关键部分：俘能器（如纳米发电机、燃料电池等）、能量存储器、功能器件（如传感器等）^[5]。在现有的研究中，功能器件部分及纳米发电机都已取得显著成果，如lieber等^[6]将si纳米线制成的场效应管阵列改装成表面涂有受体的病毒探测器，带有电荷的病毒通过微流通道进入阵列，使得电荷载流子的浓度发生变化，改变了流过纳米线晶体管的电流，反映为电路中电流、电压的变化，实现对病毒的探测；纳米发电机方面，wang等^[4]观测到单层二硫化钼两端受应变产生的极化电荷可以驱动电子在外电路中的流动，从而实现从机械能到电能的转化，成功研制出纳米发电机。而纳米储能器件作为中间能量存储环节，能够将纳米发电机获取的间歇式能量储存并持续有效地输出运用在功能器件上，然而有关研究报道并不多见，因此它的能量存储密度、功率密度及稳定性等相关性能亟需更多的研究与突破。

电化学储能技术对于太阳能、风能等间歇式清洁可再生能源的利用至关重要，其较为成熟储能机理及广泛地应用使其可以很好的利用在纳米储能器中。电极材料是电化学储能器件的重要组成部分，对电化学性能起着决定性作用。纳米结构电极材料因其拥有高比表面积以及特殊的尺寸效应等优异性能而被广泛研究与应用于电化学储能器件中，如锂离子电池、燃料电池等^[7]，因此基于纳米电极材料的纳米尺度电化学储能器件的研究工作十分有意义。

外加场在能量存储领域有着有趣的影响。guo等^[8]利用磁场调控石墨烯纳米复合结构的超级电容器性能，使其同时具有高能量密度和功率密度，这项技术随后也被应用在了微管碳和聚苯胺上^[9]。但是磁场需要施加在复合结构材料上才能使其调控作用有效，这一点制约了器件的进一步发展。而电场作为另一大能量场，已被广泛应用于场效应晶体管等电子器件中，在逻辑电路及放大电路中起着至关重要的作用^[10]，它能控制控电子输运状态，增加沟道材料表面的载流子浓度进而增强其导电性，实现大的开关比^[11-13]。同时在离子液体顶栅场效应晶体管中，电场对固液界面的离子浓度也有调控作用^[14-16]。二维层状mos₂因其特殊的电子、光学、机械性能被广泛地运用在场效应晶体管^[17-19]及储能器件^[20-23]中，既是理想的沟道材料，同时也是理想的电极材料。因此我们选择将电场运用在少层mos₂纳米薄片能量储存器件中，构成了双栅场效应晶体管/纳米电池的复合结构器件，其顶栅为电池的离子电解液，背栅为二氧化硅氧化层^[24-26]，mos₂纳米薄片电极材料同时也作为沟道材料^[27-29]。利用背栅电压对纳米电极材料电子输运状态、表面离子浓度、离子扩散速率的及电动势能的积极调控作用来达到增强能量存储密度的目的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 研究目标

采用机械剥离法得到的超薄mos₂纳米薄片作为纳米电池的电极材料^[32]，构筑出纳米薄片双栅场效应晶体管/纳米电池复合结构器件，获得背栅电压对其容量的影响；通过原位表征与测试手段获得其电化学性能与电极材料、器件结构、外置电场强度之间的关系，揭示容量增强机制，并对其进行进一步优化。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] jiang z, qing q, xie p, et al. kinked p-n junction nanowire probes for high spatial resolution sensing and intracellular recording[j]. nano letters, 2012, 12(3): 1711-1716.

[2] liu z, zhan y, shi g, et al. anomalous high capacitance in a coaxial single nanowire capacitor[j]. nature communications, 2012, 3: 879.

[3] hochbaum a i, chen r, delgado r d, et al. enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires[j]. nature, 2008, 451(7175): 163-167.