近日，西北工业大学黄维院士团队黄佛保课题组与三峡大学湖北省弱磁探测工程技术研究中心的胡功伟课题组合作，在国际顶级期刊《Nano Energy》发表了一项突破性研究成果。该团队首次在中心对称半导体Si中，通过对称性破缺实现了独特的压电电子学效应，研发出的应变传感器应变灵敏度系数高达753，远超传统硅基应变传感器，推动压电电子学材料从传统非中心对称材料向中心对称半导体延伸。
压电电子效应作为开发高性能传感器的关键机制，其核心是利用应变诱导的压电电荷调控载流子传输。长期以来，这一效应仅局限于非中心对称压电材料，如纤锌矿结构的ZnO、GaN等。然而，这些材料要么压电性较弱，与介电绝缘体或窄带隙半导体相当；要么与异质材料存在较大晶格失配，严重影响器件性能。更重要的是，Si、Ge等技术成熟的中心对称半导体因缺乏压电性，始终被排除在压电电子学材料体系之外，成为制约应用规模化发展的关键瓶颈。
为突破这一限制，科研团队将目光聚焦于“对称性破缺”这一核心思路。研究发现，在重掺杂的硅基pn隧道结中，高浓度杂质离子会在耗尽区形成强大的内建电场（强度可达108 V/m）。这种强内建电场打破了中心对称材料异质结界面反演对称性，结合电致伸缩诱导出可电控的压电效应。基于这一机制，团队构建了硅基pn隧道结器件，并深入研究了其载流子传输特性。结果显示，这种独特的压电电子学效应可以等效为应变诱导的介电性调控，从而改变耗尽区宽度，实现对隧道电流的高效调制。当偏压位于负微分电阻区时（低正向偏压），器件的应变灵敏度高达753，其性能不仅远超传统金属箔片（2-5）、石墨烯（10-15）等应变传感材料，更是传统压阻式硅基应变传感器（100-140）的5倍以上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111403
图1：中心对称结构中pn结的压电性和带间隧穿效应。（a-i、a-ii）分别为应力作用于非中心对称结构、中心对称结构的示意图；（a-iii）应力作用于含内建电场的中心对称体结构的示意图；（b-i）重掺杂硅pn结示意图；（b-ii）压应力/拉应力下，pn隧穿结中压电极化电荷分布及耗尽区宽度变化示意图；（c-i）pn隧穿结的电流示意图；（c-ii）pn隧穿结中的带间隧穿与漂移-扩散机制示意图。
图2：压电电子效应对带间隧穿传输的调控。（a）不同应变条件下的能带示意图；（b）应变诱导的介电常数修正示意图；（c）应变调控耗尽区宽度（插图为耗尽区宽度定义示意图）；（d）不同应力下的隧穿透射系数；（e）带间隧穿最高/最低能量点的势垒分布图及对应积分区间，其中x1为经典边界，PE代表势能；（g）不同应变下结区的压电极化电荷分布；（h）压电电子效应对I-V特性的调控。
图3：不同传输机制下pn隧穿结的传感性能。（a）不同电压区间内，电流随应变的变化；（b）不同偏压下，灵敏度系数随应变的变化；（c）耗尽区宽度调控随偏压的变化；（d）不同应变条件下，灵敏度系数随偏压的变化。
图4：掺杂浓度对传感性能的影响。（a）不同掺杂浓度下的能带演变；（b）不同掺杂水平下，耗尽区宽度随应变的调控变化；（c）隧穿透射概率随掺杂浓度的变化；（d）三种工作区间的电流-应变特性：反向偏压区、负电阻区（NDR）、漂移-扩散区；（e）三种工作区间的灵敏度系数随掺杂浓度的变化；（f）耗尽区宽度变化随掺杂浓度的调控情况。
图5：非对称掺杂对传感性能的影响。（a）不同掺杂浓度下的能带变化；（b）不同掺杂水平下，应变诱导的耗尽区宽度变化；（c）隧穿透射概率随掺杂浓度的变化；（d）三种工作区间的应变-电流特性：反向偏压区、负电阻区（NDR）、漂移-扩散区；（e）灵敏度系数随掺杂浓度的变化；（f）耗尽区宽度变化随掺杂浓度的调控情况。
