压电半导体多场断裂行为研究

发布时间：2020-03-21 19:39

【摘要】：压电半导体是一种兼具压电性质和半导体性质的先进材料,在智能器件制造领域有着广泛的应用前景。由于压电半导体材料自身和结构的特点,在制备和使用过程中不可避免地产生变形、夹杂和缺陷,在多场服役环境下,将产生复杂的失效行为,对结构、器件的可靠性及安全服役能力产生极大的影响。本文以GaN为对象,系统研究压电半导体在力-电压-电流等多场耦合作用下的断裂失效行为。研制了压电半导体多场断裂实验系统;提出了压电半导体非线性耦合迭代分析方法;利用多场三点弯曲实验,分析并揭示了压电半导体在力电耦合载荷作用下变形机制和断裂机理;结合实验及数值结果,探讨构建了压电半导体多场断裂准则及数值分析体系。为压电半导体构件在多场作用下的可靠性设计及结构分析提供基础。(1)根据压电半导体的材料性质及多场服役环境,确立了力电耦合断裂实验研究方法,设计了典型、标准的多场断裂测试试样。基于该实验方法,搭建了压电半导体多场加载实验平台,研制了压电半导体多场断裂测试实验系统,设计了系列有效的辅助实验装置及绝缘实验环境,解决了机械力-电流-强电场耦合加载的关键技术,实现了各物理场的远程加载、操控及数据量测的自动化。针对压电半导体材料特性,设计了基于夹层极化方法的压电半导体多样性极化装置,开发了新型的裂纹预制技术,使平台具备极化及预制裂纹等能力。(2)根据严格的压电半导体非线性理论,提出“弹性-半导体”非线性耦合迭代计算方法。基于通用有限元分析手段实现了该方法关于弹性、半导体两类边值问题的数值迭代求解。设计了相关的实验验证方法,验证了计算方法的有效性。利用该方法对典型GaN压电半导体器件的机电耦合特性进行了深入的研究,发现机械载荷可以通过压电极化电荷有效地调节和控制压电半导体构件的电流输运行为。基于数值迭代方法,分析了不同力、电边界条件对压电半导体肖特基结空间电荷区的影响,为压电半导体多场结构分析提供基础。(3)利用压电半导体多场实验实验方法及数值手段,研究了直流电场和电流密度对退极化压电半导体弯曲性能的影响;结果表明,直流电场可以降低压电半导体弯曲强度,但场强达到一定范围后,对弯曲强度不再影响,而电流载荷则引起弯强度的持续降低;基于迭代数值方法,计算了多场环境下材料内部各物理场的耦合分布,结合不同载荷作用下材料断面形貌、微观组织变化及实验测试结果,分析了电场和电流对压电半导体弯曲性能的影响机理。利用夹层极化处理方法及装置,研究了极化处理对压电半导体机电性能的影响,发现极化不仅可以提高压电半导体的弯曲强度,改变材料电位移特性,还对材料电流输运能力影响显著;结合数值计算及实验结果,揭示了极化对压电半导体材料机电性能的影响机理,为压电半导体器件设计提供支持。(4)基于压电半导体多场断裂实验系统,测定了GaN压电半导体的断裂韧性,研究了压电半导体在力电耦合载荷作用下的断裂行为。结果表明,电流密度对压电半导体的断裂有着重要的影响,而强电场环境则使材料表现出一定的增韧特性,这与传统的压电介质有着根本不同。利用有限元分析方法,计算了三点弯试样在力和强电场耦合作用下的载流子重新分布,分析了压电半导体在机械、电压和电流联合载荷作用下的断裂机理。结合数值分析和实验结果,给出了压电半导体裂纹尖端应力、电位移、电流密度的强度因子表达式,建立了力电联合载荷作用下的压电半导体断裂准则,澄清了压电半导体断裂行为和电流密度之间关系。初步探讨构建了压电半导体多场断裂模型和失效分析体系,为压电半导体器件的可靠性设计和评估提供基础。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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