電荷輸運機制的研究是設計與構筑新型納米電子器件的基礎。和半導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筑納米電子器件具有重要的科學意義、創(chuàng)新性與應用價值。 

在前期研究中，國家納米科學中心納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室研究員鄢勇團隊采用帶電金屬納米顆粒，結合器件結構設計創(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)半導體pn結的雙層結構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構金屬納米顆粒整流器件的成功構筑（Science Advances, 2018, 4, eaau3546）。 

近期，鄢勇團隊與西北工業(yè)大學教授李鐵虎、韓國蔚山科技大學（UNIST）教授Bartosz Grzybowski等科研人員合作，通過進一步創(chuàng)新器件結構，設計并構筑出一種五電極結構的金屬納米顆粒薄膜晶體管。五電極結構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，晶體管的開關比達到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)了所有的實驗結果?；谠摼w管可構筑非門，結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院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、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